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Computación cuántica


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Computación cuántica

Recientes descubrimientos en torno a la manipulación de átomos han propiciado nuevos avances hacia el logro de la computación cuántica a gran escala y la simulación de sistemas de materia condensada. Las investigaciones las ha llevado a cabo un equipo alemán financiado con fondos europeos, a partir del Séptimo Programa Marco (7PM), y perteneciente al Instituto Max Planck de Óptica Cuántica.


En concreto, los científicos modificaron átomos únicos en una matriz de luz y cambiaron su espín, nombre por el que se conoce a un movimiento en dos sentidos, cada uno de los cuales representa el estado 0 y el estado 1, de tal modo que los datos se codifican del mismo modo que hacen los ordenadores convencionales con bits. Además, el equipo controló completamente átomos individuales y "escribió" patrones bidimensionales arbitrarios.
El proceso comenzó mediante la carga de átomos de rubidio enfriados mediante láser en cristales artificiales de luz creados mediante la superimposición de varios haces de láser. A continuación, los átomos se mantuvieron en la matriz de luz, una tarea descrita por el equipo como equiparable a mantener canicas en los huecos de un cartón de huevos. La matriz de luz deforma ligeramente la cubierta de electrones de un átomo y como resultado se obtienen cambios en la diferencia de energía entre sus dos estados de espín.
Al aprovechar la versatilidad de los átomos ultrafríos en matrices ópticas, los investigadores lograron aumentar el grado de control sobre el experimento. Consecuentemente, los científicos demostraron la posibilidad de ejercer un control de este tipo al nivel más fundamental de un espín único en una ubicación concreta de una matriz óptica.
A partir de una composición de dieciséis átomos alineados en ubicaciones de matriz contiguas como si de un collar de cuentas se tratara, los científicos estudiaron qué sucede cuando la altura de la matriz se reduce hasta que las partículas son capaces de generar un efecto túnel como el explicado por la mecánica cuántica. Los resultados muestran que se mueven de una ubicación en la matriz a otra incluso aunque su energía no alcance para cruzar la barrera entre los pozos de las matrices.
Al alinear los átomos fueron capaces de observar de forma directa sus dinámicas de tunelación en lo que podría describirse como una "carrera" entre los átomos. En otras palabras, se ha logrado modificar cada átomo de la matriz al cambiar su estado energético y ahora el siguiente paso es efectuar operaciones lógicas elementales entre dos átomos concretos de la matriz, las denominadas "puertas cuánticas".
La computación cuántica es un paradigma de computación distinto al de la computación clásica. Se basa en el uso de qubits en lugar de bits, y da lugar a nuevas puertas lógicas que hacen posibles nuevos algoritmos. Una misma tarea puede tener diferente complejidad en computación clásica y en computación cuántica, lo que ha dado lugar a una gran expectación, ya que algunos problemas intratables pasan a ser tratables. Mientras un computador clásico equivale a una máquina de Turing,1 un computador cuántico equivale a una máquina de Turing cuántica.

Origen de la computación cuántica


A medida que evoluciona la tecnología, aumenta la escala de integración y caben más transistores en el mismo espacio; así se fabrican microchips cada vez más pequeños, y es que, cuanto más pequeño es, mayor velocidad de proceso alcanza el chip. Sin embargo, no podemos hacer los chips infinitamente pequeños. Hay un límite en el cual dejan de funcionar correctamente. Cuando se llega a la escala de nanómetros, los electrones se escapan de los canales por donde deben circular. A esto se le llama efecto túnel. Una partícula clásica, si se encuentra con un obstáculo, no puede atravesarlo y rebota. Pero con los electrones, que 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. En consecuencia, la computación digital tradicional no tardaría en llegar a su límite, puesto que ya se ha llegado a escalas de sólo algunas decenas de nanómetros. Surge entonces la necesidad de descubrir nuevas tecnologías y es ahí donde entra la computación cuántica en escena.

La idea de computación cuántica surge en 1981, cuando Paul Benioff expuso su teoría para aprovechar las leyes cuánticas en el entorno de la computación. En vez de trabajar a nivel de voltajes eléctricos, se trabaja a nivel de cuanto. En la computación digital, un bit sólo puede tomar dos valores: 0 ó 1. En cambio, en la computación cuántica, intervienen las leyes de la mecánica cuántica, y la partícula puede estar en superposición coherente: puede ser 0, 1 y puede ser 0 y 1 a la vez (dos estados ortogonales de una partícula subatómica). Eso permite que se puedan realizar varias operaciones a la vez, según el número de qubits.

El número de qubits indica la cantidad de bits que pueden estar en superposición. Con los bits convencionales, si teníamos un registro de tres bits, había ocho valores posibles y el registro sólo podía tomar uno de esos valores. En cambio, si tenemos un vector de tres qubits, la partícula puede tomar ocho valores distintos a la vez gracias a la superposición cuántica. Así, un vector de tres qubits permitiría un total de ocho operaciones paralelas. Como cabe esperar, el número de operaciones es exponencial con respecto al número de qubits. Para hacerse una idea del gran avance, un computador cuántico de 30 qubits equivaldría a un procesador convencional de 10 teraflops (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).

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