COMPUTACIÓN CUÁNTICA

En  este artículo de nuestro blog trataremos de introducir uno de los nuevos campos que están entrando con fuerza en el ámbito de la Ingeniería de Computadores  y es desarrollado tanto por parte de Ingenieros como físicos y matemáticos, y esta no es otra que la disciplina que da nombre al artículo la COMPUTACION CUÁNTICA.

UNA BREVE INTRODUCCIÓN:

Como su mismo nombre indica , esta disciplina trata directamente de la aplicación de las leyes y teorías del campo de la MECANICA CUANTICA, un campo de la física famoso tanto por su complejidad como por las curiosas propiedades de la materia que las leyes y teorías  este campo de la física nos muestra a nivel subatómico. Por citar a algunos los grandes científicos  que a este campo  contribuyeron citaremos a  Niels Bohr, Richard Feynman , o Heisenberg por citar a algunos. Pero la idea de aplicar las leyes cuánticas a la computación  se la debemos a Paul Benioff .

¿A QUE SE DEBE LA APARICIÓN DE LA COMPUTACION CUÁNTICA?

La computación cuántica nace de la necesidad de obtener más potencia de cálculo en un espacio más pequeño, que es lo que la computación clásica viene satisfaciendo hasta ahora mediante  el proceso de miniaturización y grabado de transistores (mediante la técnica de la fotolitografía) en una oblea de silicio, solo que esta tecnología plantea un problema, no práctico, sino teórico.  Así se fabrican microchips cada vez más pequeños.  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 nanométrica, cabe la posibilidad de que  los electrones se escapen de las pistas electrónicas por donde circulan. Esto es denominado, el efecto túnel. Una partícula, si se encuentra con un obstáculo, no puede atravesarlo y rebota. Pero, para los electrones, que son partículas con comportamiento ondulatorio (es decir, se comportan como ondas), existe la posibilidad de que una parte de ellos pueda atravesar las paredes de las pistas, de esta manera la señal puede pasar por canales donde no debería circular (o perderse información en el proceso). Por ello, el circuito puede dejar de funcionar con el resultado apetecido.

                              

¿EN QUÉ SE FUNDAMENTA Y EN QUÉ CONSISTE?

Una vez introducidos en el tema, vamos a profundizar en los conceptos en los que se basa ésta incipiente tecnología que, esperamos que con los años alcance un desarrollo suficiente como para su salida al mercado comercial, que como casi siempre , es uno de los motivos por los que empresas y gobiernos dedican ingentes cantidades de dinero a estos proyectos cuasi futuristas.

El concepto de computación clásica se basa en el bit, una entidad lógica que sólo puede existir en 2 estados 0 o 1, apagado o encendido, algo simple a priori. Pues bien, éste concepto cambia radicalmente si hablamos de computación cuántica en el que nos encontramos con una nueva entidad denominada qubit (quantum bite) , que es análoga al bit sólo que  con la “pequeña diferencia” de que mientras que el bit sólo puede estar en un estado a la vez (0 o 1 cómo es lógico) el qubit puede estar en  AMBOS  estados a la vez, es decir 0 y 1 al mismo tiempo , lo cual como se puede imaginar tiene unas repercusiones gigantescas en cuanto a la potencia que se podría alcanzar con un hipotético ordenador cuántico. Este denominado qubit estaría almacenado en un átomo de hidrógeno ”H” (de 1 sólo electrón), el estado del qubit , es decir, su valor como 0 o 1 ,dependerá de la capa electrónica que en ese momento se encuentre ocupando ese único  electrón  del átomo de H, es decir, que en principio , el valor del qubit sería 0 si el electrón ocupa un nivel bajo de energía, y un 1 si ocupa un nivel alto; mientras que en la computación clásica un electrón tan sólo puede estar en un estado, en el qubit puede estar en los dos al mismo tiempo debido al PRINCIPIO DE SUPERPOSICION CUÁNTICO , lo cual permitiría que el electrón almacenado en el átomo de H pudiese almacenar 2500 estados diferentes  ¡! Lo cual le permitiría actuar como un computador independiente, lo cual nos permite imaginar un ordenador con miles o incluso millones de átomos trabajando conjuntamente, dando lugar a que un objeto de un tamaño relativamente reducido tendría mayor capacidad de computación que todos los procesadores del mundo trabajando conjuntamente.

Tal es la potencia de éstos ordenadores que las actuales claves públicas de criptografía, que con la tecnología actual se  tardarían en descifrar miles de millones de años, que con una máquina basada en tecnología cuántica tardaríamos tan sólo unos minutos , y esto nos abre el camino a una de las posibles aplicaciones de la tecnología cuántica, la CRIPTOGRAFÍA.

RETOS TÉCNICOS:

Y entonces, ¿Por qué no se han construido ordenadores cuánticos ya? Esta pregunta tan simple, tiene una simple respuesta y es  DIFICULTAD. Dificultad que radica en que para que el PRINCIPIO DE SUPERPOSICIÓN se pueda dar, el átomo de H se debe de hallar en un estado de COHERENCIA, estado, que se pierde con cualquier contacto físico exterior por parte del átomo, lo cual hace que la unidad de proceso cuántica (UPC) deba estar aislada TOTALMENTE , lo cual sólo se conseguiría  MEDIANTE  UNA TRAMPA IÓNICA, es decir , entre campos magnéticos y haces de  light amplification by stimulated emission of radiation (LÁSER para los amigos). Estos y otros retos técnicos hacen EXTREMADAMENTE COMPLEJO el poder trasladar el concepto de computador cuántico al hardware real.

VÍDEOS:

- Posibles aplicaciones de un computador cuántico:

- Breve resumen del concepto teórico de computador cuántico:

- Explicación de manos de investigadores del ICFO: