Felix Maocho

Para quien le interese lo que a nosotros nos interesa

El estado de los ordenadores cuánticos al dia de hoy

Por Félix Maocho
15/3/2017

La computación cuántica se basa en principios diferentes al de la computación clásica. Mientras que la computación clásica compara bits con dos posibles estados, si o no, 1 o 0, y en función de eso se definen unas pocas puertas lógicas, cinco puertas lógica directas (SI, AND, OR, XOR, y XNOR) y tres puertas mas de lógica negada (NOT, NAND y NOR), el ordenador cuántico compara qubits que tiene tres posibles estados. Mientras que un bit sólo puede tomar dos valores: 0 ó 1, en la computación cuántica, participan las leyes de la mecánica cuántica, y la partícula puede estar en superposición coherente, ello indica que un qubit, puede ser 0, 1 y puede ser 0 y 1 a la vez (dos estados ortogonales de una partícula subatómica), o sea a los efectos prácticos un qubit pues estar en tres posibles estados, si, no y puede.

La consecuencia de ello es que existen muchas mas puertas lógicas que en la computación digital y no solo eso las puertas lógicas cuánticas producen muchos mas valores que las puertas lógicas digitales. Como consecuencia de ello problemas intratables por la computación clásica, no por su dificultad formal sino simplemente por su complejidad que les hace que en la practica no se puedan abordar, como es el cálculo de grandes números primos, o el movimiento caótico de los gases, pasan a ser abordables en la computación cuántica.

Claro está que cualquier cosa que hagamos con computación cuántica, es posible si tenemos ordenadores que manejen los bits a suficiente velocidad, pero nos encontramos en la frontera de la materia, para hacer más rápidos los chips, hace falta que estos sean mas pequeños. Mientras que el problema fue mecánico. poco a poco lo hemos ido consiguiendo, pero nos acercamos a un tamaño en que independientemente de la precisión de la tecnología que utilicemos, los chips dejan de funcionar correctamente, porque los electrones se escapan de los lugares donde les querenos confonarlos.

A esto se le llama efecto túnel, los electrones, son partículas cuánticas y se comportan como ondas, existe la posibilidad de que una parte de ellos pueda atravesar las paredes si son demasiado finas; de esta manera la señal puede pasar por canales donde no debería circular. Por ello, el chip deja de funcionar correctamente.

Aparece pues la necesidad de descubrir una nueva tecnología esta es la computación cuántica. En tecnología cuántica en vez de trabajar con voltajes eléctricos, se trabaja con cuantos o qubits. Con los qubits, tenemos mas puertas lógicas por tanto podemos encontrar “atajos” en los cálculos que hacemos pero aparte de todo el tamaño de los datos se reduce exponencialmente. Un vector de tres qubits, tomar 27 valores distintos, 000, 001, 00x, 010, 011, 01x, 0x0, 0x1, 0xx, 100, 101, 10x, 110, 111, 11x, 1×0, 1×1, 1xx, x00, x01, x0x, x10, x11, x1x, xx0, xx1 y xxx o lo que es lo mismo tres al cubo, un vector de tres bitis solo tomo dos al cubo o sea 8 valores, 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 y 111., Por tanto podemos comprimir los datos una enormidad y en consecuencia operar con ellos escucho más rápido,

Para hacerse una idea de lo que supone, un computador cuántico de sólo 30 qubits equivaldría a un ordenador de 10 teraflops (10 millones de millones de operaciones en coma flotante por segundo), cuando actualmente las computadoras trabajan en el orden de gigaflops (miles de millones de operaciones). Comprenderán fácilmente que cálculos que hoy suponen a un ordenador años de cálculo y que por ese motivo no se pueden realizar, como por ejemplo el encontrar números primos de 10.000 cifras, es posible real izarlo en un tiempo prudencial con los ordenadores cuánticos.

Lo que pasa, es que todo el calculo cuántico exige iniciar la computación desde cero, Mientras que por ejemplo un programa de CAD, se basa en programas C, que a su vez se basan en programas en ensamblador, en un computador cuántico tendríamos que empezar por escribir el programa equivalente al ensamblador cuántico. De momento se avanza en esta direccion pero estamos lejos de llegar al equivalente al ensamblador tradicional, Se han definido algoritmos básicos como los de Shor, Grover, o Deutsch-Jozsa y sobre ello se han desarrollado ya modelos teóricos de computadora cuántica, como el de Benioff, Feynman o Deutsch pero aun estamos lejos de haber programado la esencia de lo que puede hacer un computador cuántico.

En cuanto al hardware, aun está por definir qué hardware sería el ideal para la computación cuántica. Se ha definido una serie de condiciones que debe cumplir, conocida como la lista de Di Vincenzo, y ya existen en los laboratorios varios hay varios prototipos de mini ordenadores cuánticos que se están probando.

Los principales modelos a probar se basan en los siguientes principios físicos:

  • Espines nucleares de moléculas en disolución, en un aparato de RMN.
  • Flujo eléctrico en SQUIDs.
  • Iones suspendidos en vacío .
  • Puntos cuánticos en superficies sólidas.
  • Imanes moleculares en micro-SQUIDs.
  • Computadora cuántica de Kane.
  • Computación adiabática, basada en el teorema adiabático.

Computador cuántico Orion

En 2004, científicos del Instituto de Física aplicada de la Universidad de Bonn publicaron resultados sobre un registro cuántico experimental. Para ello utilizaron átomos neutros que almacenan información cuántica, por lo que son llamados qubits por analogía con los bits. Su objetivo actual es construir una puerta cuántica, con lo cual se tendrían los elementos básicos que constituyen los procesadores, que son el corazón de los computadores actuales.

Si algún día llegamos a tener computadores cuánticos operacionales , posiblemente se sustituyan todos los computadores actuales por ellos pues indudablemente tanto la velocidad de cómputo como su capacidad es incomparablemente mayor, pero para ello primero existirá una generación de computadores cuánticos de laboratorio, que posiblemente trabajaran en condiciones que es difícil tener en una empresa y más aun en una vivienda, como es temperaturas próximas al cero absoluto, o un vació prácticamente total, o que precisan un complejo sistema de refrigeración y quizá estar exento de la menor vibración.

Todo ello es lo normal, los primeros ordenadores empresariales exigían trabajar a temperaturas menores de 18º, lo que obligaba a los técnicos a limitar su estancia dentro del recito del ordenador, o a portar adecuada vestimenta para soportar el frío.

Cuando esos equipos existan les espera resolver una larga lista de problemas que los expertos han aparcado por no poderlos resolver con los ordenadores convencionales, incluidos los superordenadores, Entre ellos están los dos que apasionan a los matemáticos, factorización de números enteros y el logaritmo discreto.

Como esta actualmente el desarrollo de los computadores cuánticos.

En el año 2000, IBM, dirigido por Isaac Chuang, creó un computador cuántico de 5-Qbit capaz de ejecutar un algoritmo de búsqueda de orden, que forma parte del Algoritmo de Shor. Este algoritmo se ejecutaba en un simple paso cuando en un computador tradicional requeriría de numerosas iteraciones.

Ese mismo año, científicos de Los Álamos National Laboratory (EE. UU.) anunciaron el desarrollo de un computador cuántico de 7-Qbit. Utilizando un resonador magnético nuclear se consiguen aplicar pulsos electromagnéticos y permite emular la codificación en bits de los computadores tradicionales.

En el 2001 nuevamente IBM junto a la Universidad de Stanford, consiguen ejecutar por primera vez el algoritmo de Shor en el primer computador cuántico de 7-Qbit desarrollado en Los Álamos. En el experimento se calcularon los factores primos de 15, dando el resultado correcto de 3 y 5 utilizando para ello 1018 moléculas, cada una de ellas con 7 átomos.

En el 2005 el Instituto de “Quantum Optics and Quantum Information” en la Universidad de Innsbruck (Austria) crea el primer Qbyte, una serie de 8 Qbits utilizando trampas de iones.

En el 2006 científicos en Waterloo y Massachusetts diseñan métodos para mejorar el control del cuanto y consiguen desarrollar un sistema de 12-Qbits. El control del cuanto se hace cada vez más complejo a medida que aumenta el número de Qbits empleados por los computadores.

En el 2007 la empresa canadiense D-Wave Systems presenta Orion, una falsa primera computadora cuántica comercial de 16-qubits de propósito general. La compañía admitió que la máquina, no es realmente una computadora cuántica, sino que usa algo de mecánica cuántica.

En el mismo año, dos equipos de investigación estadounidenses, el National Institute of Standards (NIST) de Boulder y la Universidad de Yale en New Haven consiguieron unir componentes cuánticos a través de superconductores, creando con ello el primer bus cuántico, y ademas utilizan este dispositivo como memoria cuántica, reteniendo la información cuántica durante un corto espacio de tiempo antes de ser transferido al siguiente dispositivo. Tenemos algo parecido a lo que sería una memoria RAM cuántica

En el 2008, un equipo de científicos consiguió almacenar por primera vez un Qubit en el interior del núcleo de un átomo de fósforo, y pudieron hacer que la información permaneciera intacta durante 1,75 segundos. Este periodo puede ser expansible mediante métodos de corrección de errores, por lo que es un gran avance en el almacenamiento de información. O sea el equivalente al disco duro o memoria ROM

En el 2009, el equipo del profesor Robert Schoelkopf, de la Universidad de Yale, que ya en 2007 había desarrollado el Bus cuántico, crea ahora el primer procesador cuántico de estado sólido, mecanismo que se asemeja y funciona de forma similar a un microprocesador convencional, aunque con la capacidad de realizar sólo unas pocas tareas muy simples, como operaciones aritméticas o búsquedas de datos. Para comunicar los diferentes dispositivos del computador utiliza fotones que se desplazan sobre el bus cuántico.

En 2011, D-Wave Systems crea la primera computadora cuántica comercial, D-Wave One, que se vende por 10 millones de dólares a la empresa Lockheed Martin.

D Wave Two

En 2012 IBM anuncia que ha creado un chip lo suficientemente estable como para permitir que la informática cuántica llegue a hogares y empresas. Se estima que en unos 10 o 12 años se puedan estar comercializando los primeros sistemas cuánticos.

En 2013, nuevamente la empresa D-Wave Systems lanza el nuevo computador cuántico D-Wave Two el cual es 500000 veces superior a su antecesor D-Wave One, con un poder de cálculo de 439 qubits. Sin embargo el D-Wave Two tuvo graves problemas de fiabilidad de cálculo.

En 2016, Intel trabaja en el primer ordenador cuántico de silicio

Las ultimas novedades son las siguientes

IBM gana (a medias) el primer combate de la historia entre ordenadores cuánticos. Su chip resultó más rápido, aunque menos fiable, que el de la Universidad de Maryland a la hora de realizar las mismas tareas. Aunque los resultados son modestos, es un paso importante para ellos

Crean el primer generador láser de fotones individuales a demanda, un circuito integrado de fotones únicos que allana el camino hacia el ordenador cuántico

Como ven paso a paso pero con buena marcha el ordenador cuántico va transformándose en una realidad

Félix Maocho

Información obtenida fundamentalmente de Wikipedia

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15 marzo 2017 - Posted by | ciencia |

4 comentarios »

  1. Preciosísimo artículo.

    Comentario por Pablo Arribas González | 15 marzo 2017 | Responder

    • Gracias

      Comentario por felixmaocho | 15 marzo 2017 | Responder

  2. Me ha gustado mucho, muy interesante. Aunque he de reconocer que algunas cosas se me escapan. Gracias!

    Comentario por Luis Hernández Peña | 15 marzo 2017 | Responder

    • Ahí es que he metido la pata, porque mi intenciones es escribir siempre para Dummies. Generalmente lo consigo sin esfuerzo, porque el primer Dummie soy yo, pero de informática, se algo y claro, no es fácil distinguir entre lo que realmente es obvio y lo que A TI te parece obvio. Si me dices los puntos confusos rehago los párrafos.

      Comentario por felixmaocho | 15 marzo 2017 | Responder


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