Esta es una buena pregunta. Hay varias maneras de construir una computadora cuántica. Todo lo que necesita para construir una computadora cuántica son algunos estados cuánticos y algunas conexiones entre estos estados cuánticos. Voy a escribir mi respuesta en 4 partes. La primera parte describirá los conceptos básicos de lo que hace posible una computadora cuántica (lo que necesita para construir una computadora cuántica). La segunda parte describirá las implementaciones populares actuales de la computación cuántica. La tercera parte será una sección TL; DR. La cuarta parte se reservará para las ediciones necesarias debido a errores que indudablemente ocurrirán (se agradece la retroalimentación). Separaré estas cuatro secciones con reglas horizontales.
Un estado cuántico es simple de describir. Siempre que un objeto físico tenga solo un número discreto de descripciones posibles de su comportamiento, es un objeto cuántico. El estado cuántico es la descripción del comportamiento de ese objeto físico. Como ejemplo, un átomo tiene un número finito y discreto de niveles de energía distintos. Cuando un átomo se excita desde el “estado fundamental” (cuando todos los electrones ocupan las capas de energía más bajas) a un estado superior, podemos rastrear esa transición matemáticamente utilizando la notación de la mecánica cuántica.
Hagámoslo.
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- ¿Qué sucede si calculas usando una computadora cuántica una secuencia infinita como Pi?
- ¿Dónde puedo ir para usar una computadora cuántica?
- ¿Se puede expresar la entropía de información de un qubit en función de la matriz de densidad?
- ¿Qué es el determinismo cuántico?
Para comenzar a ensuciarnos las manos con algunas matemáticas, denotemos el estado fundamental del átomo por | atom> (el átomo es una etiqueta dentro de ese paréntesis que vamos a usar para representar el estado del átomo, que es una variable). Inicialmente, antes de excitar el átomo, | átomo> = | 0>. Si excitamos el átomo a un estado superior, como el estado donde el número atómico n = 2, podemos escribir eso como | átomo> = | 2>. Pero, sucedió algo que excitó al átomo de | 0> a | 2>, ¿verdad? La variable no puede simplemente cambiar por sí sola. Eso es exactamente correcto. Debemos haber enviado algún paquete de energía que interactúa con el átomo y este paquete de energía debe haber sido el objeto que cambió el estado de mi átomo de | 0> -> | 2>. Por lo tanto, no podemos describir el sistema atómico aparte de su interacción con el medio ambiente.
Digamos que un pulso de luz fue la herramienta que utilizamos para modificar el estado del átomo. De hecho, esto es lo que comúnmente se hace. Suponga que la energía en el haz de luz (la energía almacenada en un fotón que equivale al producto de la constante de Planck y la frecuencia de la onda de luz en Hertz, E = hv) es “resonante” con la transición del átomo del estado fundamental a el segundo estado excitado; es decir, suponga que la diferencia de energía entre el estado | 2> y el estado | 0> fue la misma que hv, la energía en el paquete de luz. Luego, podemos describir el sistema inicial como | paquete de luz> [math] \ otimes [/ math] | atom>. Más tarde, sin embargo, la información que estaba en ese paquete de luz, es decir, la información sobre cuánta energía tenía, se almacena en el átomo. Entonces, más tarde, después de su interacción, el sistema se describe por un solo estado: algo así como | átomo, fotón>.
A lo que intento llegar es a que hubo transferencia de información entre el fotón y el átomo. Un fotón es una partícula de luz. Almacena energía en forma discreta y empaquetada. Un átomo almacena energía en forma discreta y empaquetada. Ellos interactuaron. Intercambiaron información. Esta idea forma la base del cálculo cuántico. Dada la información anterior, esto no parece más poderoso que el cálculo convencional. De hecho, debido a la dificultad de abordar un átomo en particular y generar luz que resuena con ese átomo, esto suena como un dolor mucho mayor que simplemente presionar el botón de encendido de mi MacBook Pro. Pero no he logrado abordar un par de características importantes de los objetos cuánticos que los hacen matemáticamente más poderosos que los objetos clásicos convencionales (cotidianos). Esto me lleva a las dos ideas importantes realmente importantes que hacen posible el cálculo cuántico:
1) Enredo: dos sistemas cuánticos que interactúan entre sí tienen el potencial de intercambiar información entre sí y, a partir de entonces, existen en un estado combinado. IE El estado de uno de los objetos cuánticos está intrínseca y físicamente vinculado al estado del otro objeto cuántico.
2) Superposición: un objeto cuántico determinado puede existir en una combinación matemática de sus posibles estados discretizados. Usando el ejemplo del átomo, el átomo se describe mejor en cualquier momento al estar en una combinación de sus estados de energía. Matemáticamente, podemos asignar una probabilidad de que el átomo exista en el estado fundamental, el primer estado salido (donde | átomo> = | 1>), el segundo estado excitado (donde | átomo> = | 2>), etc. Hacemos esto escribiendo [math] | atom> = \ sum_i a_i | i> [/ math].
Estos dos principios matemáticos nos permiten realizar algoritmos que son prohibitivos en las computadoras convencionales. No todos los problemas difíciles son manejables en una computadora cuántica. Sin embargo, suficientes problemas han encontrado respuestas utilizando las herramientas matemáticas de la física cuántica que motivan la investigación de esto como una herramienta potencial para la humanidad.
Para construir una computadora cuántica, todo lo que necesita son suficientes objetos cuánticos para realizar el cálculo que necesita (de forma análoga a la cantidad de bits que necesitaría para realizar un cálculo clásico / computadora normal) y la interacción (rutas) entre los objetos cuánticos. para que puedan intercambiar información.
Hay muchos enfoques que uno podría hacer para implementar una computadora cuántica, ya que hay una gran cantidad de objetos cuánticos a nuestro alrededor. El electrón, el átomo, el fotón, etc. La gente ha estado probando varias cosas en todo el mundo para hacer que la computación cuántica sea escalable y factible.
Enfoque 1: fotones ópticos
Uno de los primeros enfoques de la computación cuántica sigue siendo el más popular: las computadoras cuánticas ópticas / basadas en fotones. La idea es simple (la implementación es difícil): tome fotones (formas discretas de energía) y realice operaciones en ellos utilizando varios cristales y espejos. Esto no suena tan mal hasta que te das cuenta de que muchas de las operaciones en computadoras cuánticas ópticas de estado sólido requieren fuentes de un solo fotón y espejos de reflectividad extremadamente precisa. Estas demandas técnicas se apilan en el aspecto psicológicamente dañino de alinear todos estos objetos dentro de tolerancias muy estrictas en una mesa de aislamiento de vibraciones (mesa de óptica). Si desea construir una de estas computadoras, puede comenzar a comprar en http://www.thorlabs.com/. Deben tener casi todo lo que necesitas. También empaquetan golosinas agradables con el equipo óptico (+1 para bocadillos Thor).
Ventajas:
- Teóricamente simple (la luz se entiende bien)
- Relativamente fácil de diseñar en papel (por extensión de ser teóricamente simple)
- Posibles diseños en 3D
Desventajas
- Voluminoso (ocupa una mesa completa / sala de buen tamaño para relativamente pocos componentes)
- Difícil de configurar
- Requiere un ambiente controlado sin vibraciones
- Las fuentes de los estados cuánticos son muy ineficientes.
A continuación puede encontrar una imagen robada desde aquí que muestra un interferómetro típico de Mach-Zehnder. Este conjunto de componentes ópticos se puede utilizar para enredar dos fotones.
Enfoque 2: resonancia magnética nuclear
La idea para esta implementación es que el núcleo de un átomo es un objeto de mecánica cuántica. Está dotado de una propiedad conocida como momento nuclear magnético. Al aplicar diferentes campos magnéticos al núcleo del átomo, se puede alterar el estado del átomo. En la práctica, se usa un gran conjunto de núcleos (es decir, se sondean muchos átomos simultáneamente), encerrados en un vial, y el objeto mecánico cuántico es el conjunto de todos los átomos (no solo una sola partícula, como con el óptico / fotón basados en computadoras cuánticas de arriba.
Ventajas:
- El estado del sistema se puede proteger bien del entorno mediante el uso del conjunto.
- Los campos magnéticos son fáciles de generar (las señales de RF y microondas se pueden producir con muy alta fidelidad hoy en día).
Desventajas
- Difícil de acoplar dos sistemas cuánticos separados juntos. Cada sistema cuántico es una muestra de muchos núcleos. No existe un mecanismo claro para intercambiar información entre dos muestras separadas de muchos núcleos.
- Difícil de escalar este sistema a muchos bits cuánticos (qubits). Cada paquete / vial representa un qubit. Abordar cada uno de estos qubits con potentes campos magnéticos independientes presenta un gran problema de ingeniería.
Enfoque 3: Iones atrapados
La idea para esta implementación es que los iones son objetos de mecánica cuántica. La carga que representa el ion tiene un estado de rotación que adquiere 1 de 2 valores posibles: un estado natural similar a un bit. Al usar campos eléctricos y magnéticos para confinar estos iones a ubicaciones en el espacio, podemos realizar operaciones lógicas en estos iones para realizar el cálculo.
Ventajas:
- Los campos eléctricos y magnéticos son fáciles de generar con alta fidelidad (RF y microondas)
- Muchos iones se pueden organizar en ubicaciones muy precisas que permiten un acoplamiento controlable
- Los iones son fáciles de obtener.
Desventajas
- Hasta ahora, la tecnología de iones atrapados ocupa mucho espacio y requiere mucho hardware de control (costoso)
- Es difícil para la computadora de iones atrapados escalar muy bien en 3 dimensiones sin amplificar los requisitos de hardware.
Enfoque 4: circuitos superconductores
La idea para esta implementación es bastante novedosa. Las técnicas de litografía convencionales se utilizan para diseñar circuitos que superconducen. El material superconductor más utilizado es el aluminio. Tiene buenas propiedades de material (temperatura crítica relativamente alta), oxidación controlable, coincidencia reticular con sustratos agradables (aluminio, zafiro), además de ser relativamente económico. Los circuitos se enfrían por debajo de su temperatura crítica (~ 4K) usando un refrigerador (típicamente un refrigerador de dilución). La temperatura del sistema se lleva muy por debajo de la temperatura crítica para evitar que el entorno térmico interactúe con el sistema. Los circuitos se operan a frecuencias de microondas que corresponden a energías mucho más altas que la energía térmica (kT / h> v). Para órdenes de magnitud, con temperaturas de refrigerador alcanzables / típicas de 200 mil Kelvin, se requiere que las frecuencias de operación sean mayores a 2.08 GHz. Las frecuencias de resonancia típicas para circuitos superconductores están diseñadas para ser ~ 6 GHz +/- 2 GHz.
Ventajas:
- Utiliza técnicas de litografía convencionales.
- Los materiales son relativamente accesibles.
- Los circuitos se controlan fácilmente con equipos de microondas de alta calidad (keysight.com)
Desventajas
- Requiere superficie plana (un circuito); sin extensión previsible a 3D
- Requiere un ambiente criogénico ultra frío
- El costo del hardware de control y del entorno criogénico es muy alto (léase: en millones)
Nota: es poco probable que se utilicen superconductores de alta temperatura en esta implementación de la computación cuántica por razones desconocidas para el autor. Los físicos de estado sólido que investigan en este campo citan comúnmente que las propiedades de los superconductores de alta temperatura (con respecto a los vórtices y otras incógnitas místicas) los hacen incompatibles con la computación cuántica. Se puede ver, fácilmente, también, que la frecuencia de operación para circuitos de este tipo sería increíblemente alta. Por ejemplo, considere un circuito que se enfría con nitrógeno líquido. Esto requeriría una frecuencia de funcionamiento superior a 1,6 teraHertz para superar las energías térmicas del medio ambiente.
Ha habido otras implementaciones de computación cuántica. Incluso dentro de estas implementaciones de alto nivel existen variaciones en las subimplementaciones (a saber, diferentes iones utilizados en iones atrapados, diferentes núcleos utilizados para RMN, diferentes diseños de circuitos para circuitos superconductores, etc.). La ingeniería es difícil y la financiación es limitada. Pero, llegaremos allí. Somos una sociedad lo suficientemente inteligente.
Las ediciones irán aquí
TL; DR
Hay cuatro implementaciones principales para la computación cuántica que conozco: computadoras ópticas basadas en fotones, computadoras de RMN, computadoras de iones atrapados y computadoras superconductoras. Todos tienen sus ventajas y desventajas. Sin embargo, algún día lograremos al menos una computadora cuántica completa con> 1,000,000 qubits. Esto puede ser alquilado por corporaciones y gobiernos para realizar tareas específicas. Sin embargo, tendremos que seguir investigando la naturaleza para ver qué es posible.
(Nota para los desarrolladores de Quora. Permítanos incluir otros paquetes de LaTeX (braket !!!)).
