Una computadora clásica consiste en una memoria en la cual los datos a procesar se almacenan en forma de bits, una unidad de control que proporciona las instrucciones para que el procesador realice las operaciones y una unidad aritmética y lógica para realizar las operaciones requeridas por la unidad de control .
Todas las computadoras clásicas son máquinas de Turing en las que los datos se almacenan en forma de bits. Un bit generalmente tiene solo dos estados. Puede ser un 1 o un 0. La operación completa de una computadora clásica se puede definir en términos de estos 1s y 0s. Una computadora habitual usa transistores para almacenar estos bits y realiza operaciones sobre ellos para obtener los resultados requeridos. La tensión de alimentación determina si el transistor almacena un 1 o un 0.
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Ahora, ¿en qué se diferencia una computadora cuántica de la computadora clásica?
En las computadoras cuánticas, no utilizamos bits para almacenar la información o los datos que requerimos. Se realiza en qubits. ¿Qué es un qubit? Mientras que un bit almacena 1 o 0, un qubit tiene la capacidad de almacenar 1 y 0 juntos en la misma instancia. Suponga que hay 4 transistores que pueden ser utilizados por la computadora clásica. Puede usar estos transistores para representar 16 estados a partir de 0000 a 1111. Estos cuatro transistores pueden usarse para representar solo uno de los dieciséis estados en una instancia dada. Pero en una computadora cuántica, existe la posibilidad de que los cuatro qubits usados existan en cualquiera de los dieciséis estados conocidos. Las inmensas perspectivas que ofrece la computación cuántica se basan básicamente en este hecho. Mientras que las computadoras clásicas necesitan procesar cada estado secuencialmente, una computadora cuántica puede usarse para procesar todos los estados en paralelo o simultáneamente.
¿Cómo es esto posible?
A través de un extraño fenómeno cuántico conocido como Superposición. La superposición es un fenómeno en el que un sistema puede existir en dos estados diferentes al mismo tiempo. El famoso experimento del gato Schrodinger ilustra este fenómeno maravillosamente. El experimento involucra a un gato colocado en una cámara de acero (básicamente en un ambiente muy confinado) con un vial de gas venenoso colocado en él. El vial se rompe dependiendo de la descomposición de un material radiactivo colocado en la cámara. ¿Existe la posibilidad de predecir si el gato está vivo o muerto después de un período de tiempo fijo? Esto solo se puede saber cuando se abre la cámara y se observa al gato. Schrodinger dice que el gato existe tanto en el estado vivo como en el muerto hasta que se observa. El acto de observación cambia el estado en el que el gato está presente. Esto es significativo en la mecánica cuántica porque sin observar un sistema, nunca podemos saber en qué estado se encuentra. Pero la naturaleza se ríe de nosotros aquí. El mismo acto de observar algo cambia el estado de ese sistema.
El estado del gato está definido por un vector con coeficientes complejos matemáticamente.
Del mismo modo, un grupo de qubits también puede considerarse en un estado de superposición hasta que se observen. Por lo tanto, para obtener resultados específicos de ellos, necesitamos usar diferentes conjuntos de algoritmos. Shor’s es un famoso algoritmo de computación cuántica. El estado de un qubit es una superposición entre sus estados básicos.
El entrelazamiento cuántico es otra propiedad importante en la computación cuántica. Por esta propiedad, si dos sistemas están enredados, cualquier cambio en un sistema tiene una repercusión en el otro. Entonces, un sistema que en su estado actual podría haberse enredado con su estado anterior y afectar su estado actual.
Ahora, ¿por qué es difícil construir una computadora cuántica que tenga las propiedades mencionadas anteriormente?
Una de las razones más importantes es la Decoherencia Cuántica. La decoherencia es el fenómeno por el cual un sistema cuántico pierde su coherencia en la superposición y se vuelve clásico. Con eso quiero decir que se pierde el orden del sistema o los estados a través de los cuales ha atravesado.
Imagine un conjunto de qubits en proceso de decoherencia. Todos los estados, es decir, todos los datos que ha procesado ese conjunto se pierden y el sistema se reduce a una computadora clásica con la limitación de “una vez en un estado”. Se pierde todo el concepto de procesamiento paralelo y, por lo tanto, el número de prospectos se reduce drásticamente.
La decoherencia ocurre principalmente debido a la interacción de los qubits con el medio ambiente. Para construir una computadora cuántica, necesitamos aislar los qubits en un entorno altamente confinado sin variaciones termodinámicas (sin cambios en la temperatura o la energía). Esto está demostrando ser una tarea muy difícil, ya que actualmente podemos lograr dicho aislamiento solo a temperaturas muy bajas.
Otras dificultades incluyen crear una arquitectura adecuada para la computadora. Obviamente, no podemos utilizar ninguna de las arquitecturas existentes, incluida la de Von Neumann, porque funcionan en base a algoritmos deterministas. Necesitamos desarrollar puertas lógicas y una forma de implementarlas.
Básicamente, los estados de qubits se definen usando vectores de estado. Estos estados deben procesarse utilizando puertas lógicas al igual que la informática clásica. Necesitamos los equivalentes de las puertas NOT, NAND y NOR para construir una computadora cuántica
(Suponiendo que NAND y NOR siguen siendo universales en el nivel cuántico). Necesitamos encontrar una manera de construir estas puertas físicamente.
Estas puertas se pueden construir de varias maneras. Con el que estoy más familiarizado es con el uso de celosías ópticas. Se puede usar un cristal fotónico para reducir la velocidad de la luz del grupo que puede actuar como un dispositivo de almacenamiento óptico. La polarización de los fotones se puede usar para qubits. Pero esto debe hacerse a temperaturas muy bajas para asegurarse de que ni la decoherencia ni el colapso cuántico afecten a los qubits.
Quantum Computing ofrece una perspectiva fascinante con una combinación correcta de física e informática. Creo que puedo decir con seguridad que marcarán el comienzo de una nueva era en la ciencia, si podemos comenzar a construirlos comercialmente.
