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Computadoras CuánticasSaraguro Gonzalez Williams Lenin

williamslenin_93@hotmail.comUniversidad Politécnica Salesiana

Electrónica Analógica II

Resumen—En este documento se explica como la rama de lacomputación se ha ido desarrollando a lo largo de los años. Lainformática es una ciencia que avanza con gran rapidez, así vemosque las computadoras obsoletas de hoy eran de última tecnologíahace pocos años atrás. Nos introduciremos en el análisis de lascomputadoras cuánticas, que prometen un futuro con máquinasde capacidades increíbles.

Index Terms—Cuántico.

I. INTRODUCCIÓN

E n estas últimas décadas hemos observado que el avan-ce tecnológico ha sido impresionante. El campo de la

computación e informática han sido las que más rápido hanprogresado. Hemos visto cada día artefactos de tecnologíainnovadora que nos sorprenden con sus características. Lascomputadoras cada vez son más rápidas; y es más frecuenteescuchar del inicio de las computadoras cuánticas. Este tipo detecnología revolucionara para siempre el mundo de las infor-mática por sus grandes capacidades de manejo de informacióny velocidad. “Los circuitos actuales contienen transistores ylíneas de conducción cuya anchura es sólo una centésima partede la de un cabello humano. Las máquinas de nuestros díasson millones de veces más potentes que sus rudimentariasantepasados a causa de tan explosivo progreso.

Mediante técnicas litográficas avanzadas podrían producirseelementos cien veces menores que los hoy disponibles. Peroa tal escala, en la que la materia se presenta como unamuchedumbre de átomos disgregados, los circuitos integradosapenas consiguen funcionar. Al reducir la escala diez vecesmás, los átomos manifiestan ya su identidad individual, y bastaun solo defecto para provocar una catástrofe. Por consiguiente,si se pretende que las computadoras del futuro reduzcan sutamaño, será preciso que la técnica de uso se reemplacé ocomplemente con otras nuevas.” [1]

II. DESARROLLO

II-A. Historia

Cuando teóricos tales como Richard Feynmann, del Ca-lifornia Institute of Technology, de Pasadena (California);Paul Benioff, de Argonne National Laboratory, en Illinois;David Deutsch, de la Universidad de Oxford, en Inglaterra, yCharles Bennett, del T.J. Watson Research Center de IBM enYorktown Heights (Nueva York), propusieron por primera vezel concepto de las computadoras cuánticas en las décadas de1970 y 1980, muchos científicos dudaron que alguna vez esetipo de computadora pudiera resultar práctica. Pero en 1994,

Peter Shor, de AT and T Research, describió un algoritmocuántico específicamente diseñado para factorizar númerosgrandes y exponencialmente más rápido que las computadorasconvencionales, lo suficientemente rápido como para burlarla seguridad de muchos criptosistemas de clave pública. Elpotencial del algoritmo de Shor alentó a muchos científicosa tratar de explotar las capacidades de las computadorascuánticas. En los últimos años, varios grupos de investigaciónde todo el mundo han alcanzado progresos significativos eneste campo. [2]

Figura 1. El algoritmo de Shor alento a científicos a investigar y desarrollarcomputadoras cuánticas

No hace mucho tiempo, se inició la era digital, con modeloselectrónicos basados inicialmente en tubos de vacío y luego entransistores. La EDVAC fue la primera computadora electróni-ca digital, su memoria consistía en líneas de mercurio dentrode un tubo de vidrio al vacío, donde se podía almacenar cerosy unos. El transistor, es el invento que más ha influenciado enla evolución de las computadoras, este fue concebido en 1948,por tres científicos en los laboratorios de Bell. Este contieneun material semiconductor que funciona como un interruptor.En 1958 Kilby y Noycea, de la Texas Instrument, inventaronlos circuitos integrados, haciendo que las computadoras fuesencada vez más pequeñas. A comienzos de la década de los 80IBM empezó a desarrollar las computadoras personales conPC-DOS como sistema operativo, empezando así una nuevaera, donde las computadoras estaban al alcance de todos.Las computadoras portátiles, las computadoras vestibles, ylos modelos no comerciales que son tan pequeños como unamoneda de un centavo. Actualmente, las computadoras portá-tiles, los asistentes personales digitales PDA (Personal DigitalAssistant por sus siglas en inglés) y los teléfonos celulares, secaracterizan por su reducido tamaño y portabilidad; y. En elfuturo, las computadoras usables ("Body wearable computers"

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en inglés), integradas en el espacio personal del usuario o dela usuaria, reemplazarán a todos los dispositivos mencionadosen el párrafo anterior, y serán tan o aún mas populares. Estascomputadoras requieren componentes aún más pequeños quelos actuales. [3]

II-B. Mecánica Cuántica

Figura 2. Dualidad

El concepto reducido se refiere aquí a tamaños a partir delos cuales empiezan a notarse efectos como el principio deindeterminación de Heisenberg que establece la imposibilidadde conocer con exactitud, arbitraria y simultáneamente, laposición y el momento de una partícula. Así, los principiosfundamentales de la mecánica cuántica establecen con ma-yor exactitud el comportamiento y la dinámica de sistemasirreversibles. Los efectos sobre la materia son notables enmateriales mesoscópicos, aproximadamente 1.000 átomos decomposición.

La mecánica cuántica antigua fue fundada por Max Plankcen el año 1900. Gracias a ella nació otro tipo de física nece-saria para la moderna tecnología que vendría a continuación,que es la tecnología que actualmente usamos. Así resultó elefecto fotoeléctrico que se utiliza en las plantas de energíaeléctricas para capturar la luz solar en celdas de silicio, dandolugar a la creación de las corrientes eléctricas.[13]

Algunos fundamentos importantes de la teoría son quela energía no se intercambia de forma continua. En todointercambio energético hay una cantidad mínima involucrada,llamada cuanto. El principio de complementariedad de Bohrdice que aparecen juntas propiedades aparentemente contra-dictorias. Por ejemplo, un electrón o un fotón son, al mismotiempo, una onda y una partícula. Como partícula, están en unpunto determinado del Cosmos. Pero como onda se extiendenpor todo el Cosmos, y pueden estar en cualquier parte. Sinduda, inquietante. [11][12]

II-C. ¿Qué es un computador Cuántico?

Figura 3. Primer computador cuántico presentado por D-Wave

De acuerdo con Popular Mechanics, una computadora cuán-tica es aquella que trabaja con unos y ceros, pero esos númerosson representados por electrones que alternan entre un estadode energía aterrizada (0) o excitada (1). Cada uno de estosbits cuánticos (qubits) logra suspenderse en una especie delimbo, y actúa como 0 y 1 al mismo tiempo. En cristiano: enuna computadora clásica cualquier registro de tres bits (101)podría almacenar en un momento específico sólo una de ochoposibilidades. Por otro lado, un registro quantum de tres qubitspodría almacenar en un momento específico los ocho númerosen una superposición cuántica (000, 001, 010, 011, 100, 101,110, 111) o 2 a la “n” cálculos, siendo “n” el número dequbits. Esta propiedad les permite realizar muchas operacionesdistintas en paralelo.[8]

Las computadoras cuánticas son diferentes de las compu-tadoras tradicionales basadas en transistores. El principio bá-sico detrás de la computación cuántica es que las propiedadescuánticas pueden ser usadas para representar datos y realizaroperaciones sobre los mismos. La computación cuántica sebasa en el uso de qubits en lugar de bits, y da lugar a nuevaspuertas lógicas que hacen posibles nuevos algoritmos. Unamisma tarea puede tener diferente complejidad en compu-tación clásica y en computación cuántica, lo que ha dado lugara una gran expectación, ya que algunos problemas intratablespasan a ser tratables. Un modelo teórico es la máquinacuántica de Turing, también conocida como computadoracuántica universal. Son capaces de ejecutar cualquier tareasimplemente preparándola de modo adecuado. Un procesadorde información puede ser una máquina con una tarea muchomás específica, tal como realizar operaciones matemáticas, oadaptar señales eléctricas para digitalizar sonidos. Las tareasde la mecánica cuántica computa de manera más eficiente quela clásica no son todas; de hecho, son una pequeña parte, cuyaaplicabilidad en el fondo es más bien reducida. [14][16]

II-D. Funcionamiento

Este nuevo tipo de computación utiliza la información codi-ficada en bits cuánticos o qubits, poniendo en funcionamientouna teoría que los científicos han estado discutiendo durantedécadas. "Las propiedades especiales de los qubits permitirána los ordenadores cuánticos trabajar en millones de cálculos ala vez, mientras que las computadoras personales de escritorio

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pueden manejar un mínimo de cálculos simultáneos", dijo IBMen un comunicado. [4]

Las nano-computadoras tendrán componentes cuyo funcio-namiento se rigen por los principios de la mecánica cuán-tica, pero los algoritmos que ellas ejecuten probablementeno involucren un comportamiento cuántico; mientras que lascomputadoras cuánticas buscan una posibilidad más excitante,usar la mecánica cuántica en un nuevo tipo de algoritmoque sería fundamentalmente más poderoso que cualquierotro esquema clásico. Una computadora que puede ejecutarcomputadora que pueda ejecutar este tipo de algoritmo seráuna verdadera computadora cuántica. Un computador cuánticoproporciona paralelismo masivo aprovechando la naturalezaexponencial de la mecánica cuántica. Un computador cuánticopuede almacenar una cantidad exponencial de datos, y realizarun número exponencial de operaciones usando recursos poli-nomiales. Este paralelismo cuántico no es fácil de aprovechar.Sin embargo, unos algoritmos cuánticos descubiertos en 1993(Algoritmo de Shor) han creado un interés en el potencial delas computadoras cuánticas. [5]

II-E. Características

Mientras que en la computación que usamos hoy en día,cada bit puede presentarse en estados alternativos y discretosa la vez, en la computación cuántica cada bit llega a estaren múltiples estados en un mismo instante. Gracias a esto,podremos llegar a reducir exponencialmente el tiempo emplea-do por los algoritmos actuales. Existe una arquitectura muyparecida a las que tenemos actualmente, que ha tenido muchoéxito en el ámbito teórico y cuya realización depende de lafutura implementación de una computadora cuántica. Algunosejemplos desarrollados teóricamente con mucho éxito son laanteriormente mencionada búsqueda de factores de númerosprimos, o la búsqueda en bases de datos no ordenadas. La baseteórica de la computación cuántica se basa en las interaccionesdel mundo atómico, así como en futuras implementacionesde computadoras cuánticas, obteniéndose por el momentoresultados muy alentadores. Para entender esto último hemosde tener en cuenta que los qubits pueden representar cuatronúmeros al mismo tiempo (en lógica binaria sólo se permiteun 1 o un 0 para un único bit), de ahí esta duplicación decapacidad, no sólo de las memorias o dispositivos de almace-namiento secundario, sino también del resto de componentescomo microprocesadores, tarjetas de sonido, de video. . . loque conllevaría además un aumento de la velocidad de estosmicroprocesadores. [6]

Las dos aplicaciones más importantes de la informacióncuántica se dan en el dominio de la criptografía y en el dela computación. Mediante la criptografía cuántica, es posibleenviar y recibir mensajes cifrados con la total seguridad de unaclave indescifrable. Es más, el procedimiento usado permitiríadetectar sin esfuerzo la presencia de terceros que intentaranadentrarse en el sistema de transmisión. [19]

En el cómputo cuántico la unidad mínima de información esel qubit (quantum bit) que, a diferencia del bit que sólo puedetomar los valores 0 y 1, se encuentra en una superposiciónsimultánea de dos estados cuánticos I0> y I1>. Por extensión,

en dos qubits se da una superposición de los estados I00>,I01>, I10> y I11> y en N qubits se encuentran simultánea-mente superpuestos 2N estados. Esta superposición cuánticapermite la posibilidad de realizar un procesamiento paralelo agran escala. Es decir, la capacidad operacional de un ordenadorcuántico aumenta exponencialmente con el tamaño del mismo,el número de qubits.

El estado de un qubit puede verse como un punto en lasuperficie de una esfera (llamada esfera de Bloch). En estarepresentación los polos de la esfera representan los bitsclásicos “0´́ y “1´́ y todos los demás puntos son las distintasposibilidades que puede tomar un qubit.[7]

Figura 4. Tabla de Qubit

II-F. Arquitectura Cuántica

Es muy parecida a la de los ordenadores que actual-mente conocemos, aunque añade componentes que utiliza lacomputación cuántica. La arquitectura que se propuso estaríaformada por una ALU y memoria cuánticos, y también unplanificador. Hay un aspecto que debe tenerse en cuanta ala hora del desarrollo de la arquitectura, la corrección deerrores. Acualmente se conoce como realizar escrituras ylecturas en sistemas cuánticos,para la escritura se realiza unamanipulación de energía para poder escribir 0 o 1, la lecturasería similar, en cuanto a la corrección de errores deberá sertenida en cuanta ya que los sistemas que trabajan con registrosy procesan información son suceptibles al ruido, lo cual puedemodificar bits de forma aleatoria. Trataremos la arquitecturapropuesta por Oskin et al, la cual esta formada por la ALUcuántica, memoria cuántica, y un planificador dinámico.[15]

Los científicos comenzaron a diseñar un ordenador cuán-tico basado en un sistema de muchos registros de pequeñotamaño que estarían unidos entre sí. De esta forma crearonun método revolucionario basado en un concepto formuladopor los físicos teóricos Ignacio Cirac y Peter Zoller. Ambosson considerados eminencias en los ámbitos de los átomosfríos, la óptica cuántica y la información cuántica, y en la

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base de sus investigaciones se encuentra el empleo del mundomicroscópico para construir ordenadores cuánticos y sistemasde comunicación.[18]

II-G. Actualmente

La comunidad científica todavía debate si alguna vez sepodrá construir una verdadera computadora cuántica. Perola compañía lD-Wave avanza con rapidez. Ya se ganó alprincipal fabricante de armas del Pentágono y ahora recibióotro enorme respaldo: una colaboración a tres bandas entrela agencia espacial estadounidense, la NASA, Google y laUniversities Space Research Association (USRA) para adquirirla segunda computadora D-Wave Dos. D-Wave Systems, unafirma con sede en Canadá, adquiririó prominencia en 2007cuando sorprendió a la comunidad científica al anunciar quehabía construido la primera computadora cuántica del mundo.La noticia fue recibida con escepticismo y críticas, particular-mente de científicos que querían pruebas publicadas, evaluadaspor sus pares, antes que un mero anuncio público. Desdeentonces, sin embargo, D-Wave no sólo ha publicado literaturacientífica al respecto, sino que ha ganado importantes clientes.[9]

Los ordenadores cuánticos aprovechan las extrañas pro-piedades de la mecánica cuántica de los átomos y otrosbloques de creación del cosmos. A escala diminuta, el universose convierte en un lugar borroso y surrealista. Los objetosaparentemente pueden existir en más de un lugar al mismotiempo o girar en direcciones opuestas al mismo tiempo.[10]

Computadora cuántica de diamante

El diamante es una piedra preciosa que a lo largo del tiempoha sido bastante condicionada por su valor industrial y orna-mental. Recientes investigaciones demuestran que este mineralposee tiempos de decoherencia del orden de una hora. Esto loconvierte en un material crítico que servirá como bloque deconstrucción de la nueva tecnología, denominada ingenieríacuántica. La idea de utilizar el diamante es bastante simple:consiste en emplear un sistema de dos espines nucleares,formado por un núcleo de nitrógeno implantado en el centrodel diamante, y una vacante en una posición vecina, inmediataal nitrógeno, en una red de cadenas nucleares. [20]

II-H. Teletransportación cuántica

Figura 5. Teletransportación cuántica

Gracias a una tecnología híbrida, es posible realizar unatransmisión muy fiable de bits cuánticos fotónicos, como se

ha demostrado en un experimento cuyos resultados han sidoanalizados cuidadosamente. En la teleportación cuántica setransfieren estados cuánticos arbitrarios desde un emisor, hastaun receptor, que está alejado en el espacio. Esto requiere queinicialmente compartan un estado de entrelazamiento cuán-tico a través del espacio que les separa, un entrelazamientocuántico que puede por ejemplo estar en la forma de fotonesentrelazados cuánticamente. El concepto de entrelazamientocuántico fue formulado por primera vez por Erwin Schrödin-ger, y describe una situación en la que dos sistemas cuánticos,como por ejemplo dos partículas de luz, están en un estadoconjunto, por lo que sus comportamientos son mutuamentedependientes a un nivel mayor del que es posible normalmente(bajo condiciones clásicas). En el experimento de Tokio, seconsiguió el entrelazamiento continuo mediante la estrategiade entrelazar muchos fotones en "parejas". [17]

III. CONCLUSIONES

En la actualidad las computadoras cuanticas disponen deun número limitado de qubits para resolver problemas. Sinembargo el desarrollo en este campo permitirá en un futurocontar con computadoras con un mayor número de qubits.

Los continuos avances en las realizaciones prácticas de losdiferentes modelos teóricos parecen indicar que el ordenadorcuántico estará entre nosotros antes de lo que podíamos creer,pero aún así, es difícil aventurarse a dar una fecha aproximada.El propio Cirac, en una entrevista a ABC ha apuntado que esmuy posible que aún se tarde varias décadas. [7]

Conforme la miniaturización de los componentes de lacomputadora continúe, llegará el momento en que los fenó-menos que estudia la física cuántica tengan que ser tomadosen cuenta en la construcción de nuevas computadoras. En estesentido, la miniaturización en base a los componentes actualestiene un límite definido por la aparición de estos fenómenos.Una alternativa para este problema es el aprovechamientode la interferencia cuántica para construir un nuevo tipode computadora: el computador cuántico, que haga uso denuevos algoritmos y nuevos tipos de "hardware". El trabajoteórico permite suponer que es posible construir este tipo decomputador, y de hecho ya se han inventado los primerosalgoritmos. Sin embargo, aunque se han hecho experimentosalentadores utilizando electrones y moléculas; el fenómeno dela "decoherencia" no ha podido ser resuelto satisfactoriamentepor lo que la realización práctica de la nueva computadora re-sulta aún un tanto incierta, aunque algunos científicos piensanque antes de 10 años se podrá contar con el primer procesadorcuántico. [16]

IV. CONCLUSIONS

V. BIBLIOGRAFÍA

[1]Sergi Vela Llausí/Computación Cuántica/Espectroscopía,Fotoquímica y Lasers-Curso 2008/2009

[2]Ciencia y Tecnología/computo cuántico/disponible en:http://cecytemvalledechalcosolidaridad.weebly.com/historia-de-la-computacion-cuantica.html

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[3]Andrés Mauricio Gonzalez Sepulveda/Computacióncuántica. Introducción a la ingeniería/Fundación UniversitariaSan Martín

[4]Artículo Diario Informador-México/tecnología/IBMavanza hacia una computadora cuántica, próxima revolucióninformática

[5]Lic. Jesús Peña/Monografías/Computadores Cuánticos

[6]Eduardo Alvarado Sanchez, Javier Corral García,Eduardo de la Montaña Gutiérrez/Computación cuánti-ca/Epistemowikia

[7]¿Qué es la Computación Cuántica?/publicado 11-02-13en Los Mundos de Brana [8]Informática Cuántica/disponible

en: http://informaticacuantica.comule.com/index.html

[9]Sharon Weinberger/artículo BBC Future/Por qué Googley el Pentágono quieren computadoras cuánticas

[10]Charles Choi/Google y la NASA lanzan el Laborato-rio de IA de Computación Cuántica/publicado 20-05-13/MITTechnology Review

[11]La mecánica cuántica/ disponible en:http://www.mecanicacuantica.com/introduction.htm

[12]Astronomía/Los princípios cuánticos/ disponible en:http://www.astromia.com/astronomia/principioscuanticos.htm

[13]Otto Nuñez/Mecánica cuántica: curiosidades y conse-cuencias/PUBLICADO EL JUL 18, 2013/ojocientífico.com

[14]Definición de computado-ra cuántica/alegsa/disponible en:http://www.alegsa.com.ar/Dic/computadora %20cuantica.php

[15]Luis Manuel Correas Ramos, Miguel Bonilla Rosado,Abel Bravo Vicente/Computadores Cuánticos/Epistemowikia

[16]Nasser Darwish Miranda/Computacióncuántica/Universidad de La Laguna/disponible en:http://www.fceia.unr.edu.ar [17]Exitosa teleportación

cuántica de fotones/NCYT Amazings/FÍSICA/24 octubre2013 [18]Nueva arquitectura de computación cuántica/10

Mar 2011/LaFlecha-Diario de ciencia y tecnología [19]José

Luis Sánchez Gómez/La realidad cuántica revoluciona elmundo de la información/tendencias científicas

[20]Manuel Ávila Aoki y Pablo Vera González/Hacia unacomputadora cuántica de diamante/diciembre de 2008