¿Es una computadora cuántica solo una computadora rápida?

A finales de los años 70, los físicos se dieron cuenta de que los sistemas cuánticos no podían simularse eficientemente en una computadora típica de ninguna manera obvia. Esta conclusión se basa en el hecho de que simular un sistema compuesto por N partículas cuánticas enredadas aparentemente requiere una cantidad de recursos exponenciales en N. Si tiene, por ejemplo, N electrones en una superposición de orientaciones de espín (-1 / + 1) que son en un estado enredado, pueden asumir hasta [matemáticas] 2 ^ N [/ matemáticas] diferentes configuraciones cuando se observan. La elaboración de simulaciones físicas en este sistema requiere que se realicen operaciones separadas en cada una de estas configuraciones, lo que requiere tiempo de procesamiento constante en un procesador paralelo con nodos [matemáticos] 2 ^ N [/ matemáticos] o tiempo exponencial en cualquier cosa con menos paralelismo. La naturaleza, por otro lado, “realiza” estas operaciones en un tiempo factible porque nuestra comprensión actual de la realidad física nos dice que la entidad fundamental del mundo natural no es una partícula sino la función de onda : un objeto matemático que codifica las probabilidades para diferentes eventos observables de un sistema cuántico. Un sistema de N partículas está abarcado por una sola función de onda, cuya evolución puede describirse de manera determinista a través de la ecuación de Schrödinger. La naturaleza parece funcionar fundamentalmente en estas funciones de onda, pero construimos nuestras computadoras clásicas para operar sobre partículas, ignorando fenómenos cuánticos “extraños” como la superposición, el enredo, etc., que desafían nuestra descripción clásica del mundo natural.

Richard Feyman examinó esta paradoja con optimismo en lugar de frustración y propuso que cambiamos las tornas a nuestro favor. ¿Qué pasa si construimos una “computadora cuántica”, que opera en su nivel más básico con fenómenos cuánticos? Tendríamos un patio de recreo para simular sistemas cuánticos en un tiempo factible, al aprovechar la facilidad con la naturaleza para “resolver” estos problemas computacionales. Y luego surge una pregunta interesante: si estas computadoras cuánticas pueden simular algo que las computadoras clásicas no pueden hacer en un tiempo factible (sistemas cuánticos), ¿es posible que también puedan resolver otros tipos de problemas de manera más eficiente?

La respuesta corta es probablemente sí, ellos pueden. El ejemplo canónico es el algoritmo de Shor, que es capaz de realizar la factorización de enteros en tiempo polinómico, mientras que ningún algoritmo clásico conocido puede hacerlo. Pero usted pregunta si las computadoras cuánticas son simplemente computadoras “más rápidas”. “Más rápido” es quizás una subestimación de lo que creemos que son las computadoras cuánticas, porque creemos que pueden proporcionar una aceleración exponencial en algunos casos. Su computadora puede ser 2 veces más rápida que la mía, pero la ganancia de eficiencia proporcionada por las computadoras cuánticas es tan enorme que simplemente no puede expresarse por un factor multiplicativo: en lugar de simplemente reducir a la mitad el tiempo de ejecución de todos los programas, hace que crezcan en un sistema completamente diferente moda en función del tamaño de entrada ([matemática] n [/ matemática]): su [matemática] n ^ 3 [/ matemática] vs [matemática] 3 ^ n [/ matemática].

Quizás “más rápido” también es una exageración. Las computadoras cuánticas no siempre son más rápidas que las computadoras tradicionales. No siempre se puede extraer una aceleración exponencial de los fenómenos cuánticos: funciona para un nicho particular de problemas con una estructura específica. Además, las computadoras cuánticas no son exactamente “computadoras” en el sentido tradicional. Son más como coprocesadores. Subcontratas la dificultad central de tu algoritmo a un mecanismo cuántico que genera algo y luego lo lees con una computadora tradicional y lo tomas desde allí.

Las “computadoras” cuánticas (o más precisamente los coprocesadores) pueden resolver ciertos problemas más rápidamente que las computadoras clásicas. Lo hacen utilizando algunas de las extrañas propiedades de la mecánica cuántica. (Famoso, Einstein se refirió al enredo, un elemento principal de la computación cuántica, como “acción espeluznante a distancia”. Dijo esto porque no creía que el universo pudiera funcionar de esta manera. Hay evidencia que demuestra que estaba equivocado .)

Entonces, los coprocesadores cuánticos no son solo computadoras clásicas rápidas. En cambio, utilizan una forma diferente de realizar el cálculo para permitirles responder ciertas preguntas rápidamente. Dos de los algoritmos cuánticos más conocidos / útiles son los de Shor y Grover.

El algoritmo de Shor factoriza los números más rápidamente que cualquier algoritmo clásico conocido. En particular, los algoritmos de cifrado como RSA se basan en la idea de que no podemos factorizar números rápidamente. Si la computación cuántica práctica se convierte en algo, eso ya no será cierto y será trivial descifrar la información cifrada con dicho algoritmo. Por el contrario, el uso de computadoras clásicas con los algoritmos que conocemos actualmente, una computadora clásica más rápida tendría que ser ridículamente (quizás imposiblemente) más rápida que las computadoras actuales.

El algoritmo de Grover encuentra un elemento de un conjunto de datos sin clasificar en tiempo sublineal. Para el algoritmo clásico, por supuesto, terminas mirando cada dato hasta encontrar el que deseas. En promedio, debe mirar la mitad de los datos antes de encontrar lo que desea. Grover encuentra los datos sin tener que mirar esa gran cantidad de datos. Ni siquiera puedo imaginar cómo trataría de hacer eso de manera clásica.

Por otro lado, me refiero a un coprocesador cuántico porque hay muchas cosas que las computadoras cuánticas no son buenas para hacer. Por ejemplo, generalmente la respuesta es probabilística. Entonces, con Shor’s, verifica los dos números que le da al intentar dividir el número original entre ellos. Si se divide de manera uniforme, tienes un factor. Si no, ejecutas el algoritmo nuevamente. Para otros algoritmos que no tienen una verificación directa como esa, ejecuta el algoritmo repetidamente, aumentando la confianza en la respuesta dada con cada ejecución.

Como puede ver, si bien podría escribir un algoritmo cuántico para equilibrar su chequera, una computadora clásica puede hacer un mejor trabajo al respecto. Y no tengo idea de cómo escribirías un navegador web que fuera puramente cuántico. Eso tiene demasiadas operaciones que se realizan mejor en una computadora clásica.

De esta manera, es similar a una unidad de coma flotante (o coprocesador de coma flotante de cuando era niño). Puede usar la FPU para realizar operaciones enteras, pero será más lenta y menos exacta. De manera similar, puede emular la FPU usando matemática puramente entera, pero si está haciendo algo para el que el punto flotante es apropiado, será más lento y menos exacto o, de lo contrario, mucho más lento y exactamente igual. Del mismo modo, un coprocesador cuántico hace algunas cosas bien, pero no reemplaza las computadoras existentes.

No, como dicen otras respuestas, es una computadora lenta y frágil, pero que puede lograr en un solo paso, algo que tomaría miles de millones / trillones / cuatrillones … de pasos en una computadora convencional.

En teoria.

Una cosa que puede hacer una computadora cuántica (QC) es factorizar un número muy grande con exactamente dos factores primos. La dificultad de hacer esto con una computadora convencional es la base de gran parte de la criptografía de la que depende gran parte del mundo moderno. (Banca por Internet, Bitcoins, etc.)

¡Puedes ver por qué todos están muy interesados ​​en los controles de calidad! Agencias de inteligencia, sobre todo.

Ahora (y puedo estar simplificando un poco) la dificultad de hacer un QC aumenta muy rápidamente con la cantidad de bits cuánticos que contiene. Podemos hacer un control de calidad con cuatro qubits, y usarlo para factorizar (digamos) 15. Dice 3 algunas veces, 5 algunas veces y otros números (como errores) algunas veces. Repita suficientes veces para identificar 3 y 5 como los resultados más probables, y puede verificar trivialmente que son los factores deseados con una computadora convencional. La verificación es apenas menos trivial para factores de 2048 bits de un número de 4096 bits, mientras que la resolución de la factorización ha pasado de ser trivial a imposiblemente difícil.

Entonces, en teoría, un control de calidad de 4096 qubits podría descifrar los dos factores de cualquier número de 4096 bits y reventar la mayoría de las criptografías existentes. Sin embargo, hay buenas razones para sospechar que construir un control de calidad de este tipo puede ser imposiblemente difícil. Si no fuera por la importancia de saber con seguridad (y las implicaciones de seguridad nacional) es poco probable que alguien se tome en serio la computación cuántica.

Es posible que la investigación en computación cuántica en realidad proporcione algo de física nueva, una razón por la cual no puede existir un control de calidad de 4096 bits. Personalmente sospecho que esa máquina debe ser como un agujero negro sin un horizonte de eventos: imposible, pero no por ninguna razón obvia o fácil de deducir.

También es posible inventar algoritmos criptográficos que no sean vulnerables a un control de calidad de gran cantidad de qubits en funcionamiento, en caso de que exista. Espere ver una migración lejos de los métodos actuales de criptografía de clave pública en el futuro cercano (ish), como una defensa contra una amenaza que puede nunca existir.

Si algún gobierno intenta prohibir la criptografía resistente al control de calidad, siéntase libre de sacar la conclusión obvia: ¡me equivoco acerca de la imposibilidad física de lo que claramente han logrado lograr! Puede estar seguro de que la investigación más avanzada sobre control de calidad no se publica. Si me equivoco, entonces lo que la bomba atómica fue para el siglo XX, el control de calidad es para el siglo XXI.

La computación cuántica aprovecha la extraña capacidad de las partículas subatómicas de existir en más de un estado al mismo tiempo. Debido a la forma en que se comportan las partículas más pequeñas, las operaciones pueden realizarse mucho más rápidamente y usar menos energía que las computadoras clásicas.

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La computación cuántica aprovecha las increíbles leyes de la mecánica cuántica para procesar información. Se sabe que la computación cuántica tiene aplicaciones en criptografía, en la simulación de sistemas complejos, en el desarrollo de nuevos materiales y medicamentos, y muchos más.

Otros tienen una buena descripción técnica de por qué no es solo una computadora convencional rápida. Pero aun así, aunque sea lento, es muy bueno para ciertos tipos de problemas. Una analogía puede explicar esta contradicción.

Digamos que tenías un balde de tierra y que era tierra muy especial y querías moverlo 2,000 millas a través de los Estados Unidos. La forma más rápida que se me ocurre sería utilizar un avión de combate militar y volarlo a una velocidad supersónica, como 1,000 millas por hora. Pero supongamos que el trabajo no fuera mover un cubo de tierra sino 100 toneladas de tierra. Para este trabajo, un tren de vagones de ferrocarril vencerá al caza a reacción. El avión tendría que hacer miles de viajes de ida y vuelta, lo que podría llevar meses, pero un tren hace todo el trabajo con una sola carga.

Esta es exactamente la diferencia entre una computadora cuántica y una convencional. Si quieres hacer un trabajo enorme como romper un cierto tipo de cifrado. Una computadora convencional convencional muy rápida podría tener que funcionar durante siglos. Pero la computadora cuántica, lenta como es, podría encontrar la solución en solo un ciclo, unos pocos segundos. Pero, por otro lado, si el trabajo es enviar un correo electrónico, la computadora cuántica es irremediablemente lenta y puede que nunca termine.

La diferencia es que la computadora cuántica puede considerar todas las soluciones posibles al problema de descifrado de código de una sola vez. La computadora convencional tiene que probar cada solución de una en una. O 18 a la vez tiene 18 núcleos. La computadora cuántica hace 100 billones, billones a la vez. Entonces para problemas como este es muy rápido

No, es algo completamente diferente. En muchos sentidos, no es una computadora, ya que ahora entendemos la palabra. Es un regreso a la definición de computadora antes de alrededor de 1955: un dispositivo especializado de cálculo de números para resolver problemas computacionales particularmente matemáticamente intensos. No puede hacer nada acerca de la Web, el correo electrónico, los juegos, la transmisión de películas, las llamadas telefónicas y todo lo demás que usamos hoy en día para las computadoras. Pero puede, posiblemente, responder preguntas matemáticas complejas relacionadas con la criptografía, el plegamiento de proteínas y otros tipos de soluciones de “aguja en un pajar” para problemas complejos.

Irónicamente, todo lo contrario. La computación cuántica, siendo reversible, es lenta. Pero ssssshhh, aún no lo han descubierto.