La computación cuántica ye un paradigma de computación distintu al de la computación clásica. Basar nel usu de cúbits en llugar de bits, y da llugar a nueves puertes lóxiques que faen posibles nuevos algoritmos.
Una mesma xera puede tener distinta complexidá en computación clásica y en computación cuántica, lo que dio llugar a una gran espectación, una y bones dellos problemes intratables pasen a ser tratables. Ente que un ordenador clásicu equival a una máquina de Turing,Cola salvedá de qu'una máquina de Turing tien memoria infinita. un ordenador cuánticu equival a una máquina de Turing cuántica.
Orixe de la computación cuántica
A midida que evoluciona la teunoloxía y amenórgase el tamañu de los transistores pa producir microchips cada vez más pequeños, esto traduzse en mayor velocidá de procesu. Sicasí, nun pueden faese los chips infinitamente pequeños, yá que hai una llende tres el cual dexen de funcionar correutamente. Cuando se llega a la escala de nanómetros, los electrones escapar de les canales per onde tienen de circular. A esto llámase-y efeutu túnel.
Una partícula clásica, si atopar con una torga, nun puede travesalo y rebota. Pero colos electrones, que son partícules cuántiques y pórtense como ondes, esiste la posibilidá de qu'una parte d'ellos pueda travesar les parés si son los abondo delgaes; d'esta manera la señal puede pasar por canales onde nun tendría de circular. Por ello, el chip dexa de funcionar correutamente.
Arriendes d'ello, la computación dixital tradicional nun tardaría en llegar a la so llende, yá que yá se llegó a escales de namái delles decenes de nanómetros. Surde entós la necesidá d'afayar nueves teunoloxíes y ye ende onde la computación cuántica entra n'escena.
La idea de computación cuántica surde en 1981, cuando Paul Benioff espunxo la so teoría p'aprovechar les lleis cuántiques na redolada de la computación. En cuenta de trabayar a nivel de voltaxes llétricos, trabayar a nivel de cuanto. Na computación dixital, un bit namái puede tomar dos valores: 0 o 1. Sicasí, na computación cuántica, intervienen les lleis de la mecánica cuántica, y la partícula puede tar en superposición coherente: puede ser 0, 1 y puede ser 0 y 1 al empar (dos estaos ortogonales d'una partícula subatómica). Eso dexa que puedan realizase delles operaciones al empar, según el númberu de cúbits.
El númberu de cúbits indica la cantidá de bits que pueden tar en superposición. Colos bits convencionales, si teníase un rexistru de trés bits, había ocho valores posibles y el rexistru namái podía tomar unu d'esos valores. Sicasí, si teníase un vector de trés cúbits, la partícula puede tomar ocho valores distintos al empar gracies a la superposición cuántica. Asina, un vector de trés cúbits dexaría un total d'ocho operaciones paraleles. Como cabo esperar, el númberu d'operaciones ye esponencial con respectu al númberu de cúbits.
Pa faese una idea de la gran meyora, un ordenador cuánticu de 30 cúbits equivaldría a un procesador convencional de 10 teraflops (10 millones de millones d'operaciones en coma flotante per segundu), cuando anguaño los ordenadores trabayen nel orde de gigaflops (miles de millones d'operaciones).
Problemes de la computación cuántica
Unu de les torgues principales pa la computación cuántica ye'l problema de la decoherencia cuántica, que causa la perda del calter unitariu (y, más específicamente, la reversibilidad) de los pasos del algoritmu cuánticu. Los tiempos de decoherencia pa los sistemes candidatossobremanera'l tiempu de relaxación tresversal (na terminoloxía usada na teunoloxía de resonancia magnética nuclear y imaginería por resonancia magnética) ta típicamente ente nanosegundos y segundos, a temperatures baxes. Les tases d'error son típicamente proporcionales a la razón ente tiempu d'operación frente a tiempu de decoherencia, de forma que cualquier operación tien de ser completada nun tiempu muncho más corto que'l tiempu de decoherencia. Si la tasa d'error ye lo bastante baxa, ye posible usar conducentemente la correición d'errores cuántica, colo cual sí seríen posibles tiempos de cálculu más llargos que'l tiempu de decoherencia y, en principiu, arbitrariamente llargos. Citar con frecuencia una tasa d'error llende de 10–4, per debaxo de la cual supónse que sería posible l'aplicación eficaz de la correición d'errores cuánticos.
Otru de los problemes principales ye la escalabilidad, especialmente teniendo en cuenta la considerable medría en cúbits necesarios pa cualquier cálculu qu'implica la correición d'errores. Pa nengún de los sistemes anguaño propuestos ye trivial un diseñu capaz de remanar un númberu lo bastante alto de cúbits pa resolver problemes computacionalmente interesantes anguaño.
Hardware pa computación cuántica
Entá nun se resolvió'l problema de qué hardware sería l'ideal pa la computación cuántica. Definióse una serie de condiciones que tien de cumplir, conocida como la llista de Di Vincenzo, y hai dellos candidatos anguaño.
Condiciones a cumplir El sistema hai de poder inicializarse, esto ye, llevase a un estáu de partida conocíu y controláu. Hai de ser posible faer manipulaciones a los cúbits de forma controlada, con un conxuntu d'operaciones que forme un conxuntu universal de puertes lóxiques (pa poder reproducir cualesquier otra puerta lóxica posible). El sistema hai de caltener el so coherencia cuántica a lo llargo del esperimentu. Hai de poder lleese l'estáu final del sistema, tres el cálculu. El sistema hai de ser escalable: tien qu'haber una forma definida d'aumentar el númberu de cúbits, pa tratar con problemes de mayor costu computacional.
Candidatos
Espines nucleares de molécules en disolución, nun aparatu de RMN. Fluxu llétrico en SQUID. Iones suspendíos en vacíu. Puntos cuánticos en superficies sólides. Imanes moleculares en micro-SQUID. Ordenador cuánticu de Kane. Computación adiabática, basada nel teorema adiabático.
Procesadores En 2004, científicos del Institutu de Física aplicada de la Universidá de Bonn publicaron resultaos sobre un rexistru cuánticu esperimental. Pa ello utilizaron átomos neutros qu'almacenen información cuántica, polo que son llamaos cúbits por analoxía colos bits. El so oxetivu actual ye construyir una puerta cuántica, colo cual tendríense los elementos básicos que constitúin el procesadores, que son el corazón de los ordenadores actuales. Hai de solliñar qu'un chip de teunoloxía VLSI contién anguaño más de 100 000 puertes, de manera que'l so usu práuticu inda se presenta nun horizonte alloñáu.
==== Tresmisión de datos Científicos de los llaboratorios Max Planck y Niels Bohr publicaron na revista Nature en payares de 2004, resultaos sobre la tresmisión d'información cuántica a distancies de 100 km usando la lluz como vehículu. llogrando niveles d'ésitu del 70 %, lo que representa un nivel calidable que dexa utilizar protocolos de tresmisión con autocorrección. Anguaño trabayar nel diseñu de repetidores, que dexaríen tresmitir información a distancies mayores a les yá alcanzaes.
Programes de computación
Algoritmos cuánticos
Los algoritmos cuánticos basar nun marxe d'error conocíu nes operaciones de base y trabayen amenorgando'l marxe d'error a niveles exponencialmente pequeños, comparables al nivel d'error de les máquines actuales. Algoritmu de Shor Algoritmu de Grover Algoritmu de Deutsch-Jozsa
Modelos Ordenador cuánticu de Benioff Ordenador cuánticu de Feynman Ordenador cuánticu de Deutsch
Complexidá
La clase de complexidá BQP estudia'l costu de los algoritmos cuánticos con baxu marxe d'error.
Problemes propuestos Suxirióse l'usu de la computación cuántica como alternativa cimera a la computación clásica pa dellos problemes, ente ellos: Factorización de númberos enteros Llogaritmu discretu Simulación de sistemes cuánticos: Richard Feynman conxeturó en 1982 que los ordenadores cuánticos seríen eficaces como simuladores universales de sistemes cuánticos, y en 1996 demostróse que la conxetura yera correuta.
Cronología Año 80 A empiezos de la década de los 80, empezaron a surdir les primeres teoríes qu'apuntaben a la posibilidá de realizar cálculos de naturaleza cuántica.
1981 - Paul Benioff
Les idees esenciales de la computación cuántica surdieron de la mente de Paul Benioff que trabayaba nel Argone National Laboratory en Illinois (EE. XX.). Teorizó un ordenador tradicional (máquina de Turing) operando con dellos principios de la mecánica cuántica.
1981-1982 Richard Feynman
El Dr. Richard Feynman, físicu del Institutu de Teunoloxía de California (EE. XX.) y ganador del premiu Nobel en 1965 realizó una ponencia mientres la Primer Conferencia sobre la Física de la Computación realizáu nel Institutu Teunolóxicu de Massachusetts (EE. XX.) La so charra, sol títulu de Asemeyando la física con ordenadores (Simulating Physics With Computers) proponía l'usu de fenómenos cuánticos pa realizar cálculos computacionales y esponía que dada la so naturaleza dellos cálculos de gran complexidá realizaríense más rápido nun ordenador cuánticu.
1985 - David Deutsch
Esti físicu israelín de la Universidá d'Oxford, Inglaterra, describió'l primer ordenador cuánticu universal, esto ye, capaz d'asemeyar cualesquier otru ordenador cuánticu (principiu de Church-Turing ampliáu). D'esta miente surdió la idea de qu'un ordenador cuánticu podría executar distintos algoritmos cuánticos.
Años 90 Nesta dómina la teoría empezó a afigurase na práutica: apaecieron los primeros algoritmos cuánticos, les primeres aplicaciones cuántiques y les primeres máquines capaces de realizar cálculos cuánticos.
1993 - Dan Simon
Dende'l departamentu d'investigación de Microsoft (Microsoft Research), surdió un problema teóricu que demostraba la ventaya práutica que tendría un ordenador cuánticu frente a unu tradicional.
Comparó'l modelu de probabilidá clásica col modelu cuánticu y les sos idees sirvieron como base pal desenvolvimientu de dellos algoritmos futuros (como'l de Shor).
1993 - Charles Benett
Esti trabayador del centru d'investigación de IBM en Nueva York afayó'l teletransporte cuánticu y qu'abrió una nueva vía d'investigación escontra'l desenvolvimientu de comunicaciones cuántiques.
1994-1995 Peter Shor
Esti científicu d'Estaos Xuníos de AT&T Bell Laboratories definió l'algoritmu que lleva'l so nome y que dexa calcular los factores primos de númberos a una velocidá enforma mayor qu'en cualesquier ordenador tradicional. Amás el so algoritmu dexaría romper munchos de los sistemes de criptografía utilizaos anguaño. El so algoritmu sirvió pa demostrar a una gran parte de la comunidá científica que reparaba incrédula les posibilidaes de la computación cuántica, que se trataba d'un campu d'investigación con un gran potencial. Amás, un añu más tarde, propunxo un sistema de correición d'errores nel cálculu cuánticu.
1996 - Lov Grover
Inventó l'algoritmu de busca de datos que lleva'l so nome, algoritmu de Grover. Anque l'aceleración consiguida nun ye tan drástica como nos cálculos factoriales o en simulaciones físiques, el so rangu d'aplicaciones ye enforma mayor. Al igual que'l restu d'algoritmos cuánticos, tratar d'un algoritmu probabilísticu con un altu índiz d'aciertu.
1997 - Primeros esperimentos
En 1997 empecipiáronse los primeros esperimentos práuticos y abriéronse les puertes de mano a implementar toos aquellos cálculos y esperimentos que fueren descritos teóricamente hasta entós. El primer esperimentu de comunicación segura usando criptografía cuántica realizar con ésitu a una distancia de 23 km. Amás realízase'l primer teletransporte cuánticu d'un fotón.
1998 - 1999 Primeros cúbits
Investigadores de Los Álamos y l'Institutu Teunolóxicu de Massachusetts consiguen arrobinar el primer cúbit al traviés d'una solución d'aminoácidos. Supunxo'l primer pasu p'analizar la información que tresporta un cúbit. Mientres esi mesmu añu, nació la primer máquina de 2 cúbits, que foi presentada na Universidá de Berkeley, California (EE. XX.)