1 Computadora Cuántica Juan Matute jmatuteh@est.ups.edu.ec Universisdad Politécnica Salesiana Ing. Rene Ávila Electrónica Analógica II Resumen—La Computadora utiliza la superposición y el enmarañamiento que son utilizados por la mecánica cuántica con mayor eficiencia, para ejecutar algunos procesos y realizar cálculos con ventajas respecto a los sistemas tradicionales. Esta tecnología está en desarrollo . Index Terms—Computación cuántica. Qubit. Superposición. Enmarañamiento. Algoritmos cuánticos. Teoría de la Información. I. I NTRODUCCION La computación cuántica es una computacion diferente al de la computación clásica. Se se utiliza qubits en lugar de bits, estas computadoras da lugar a nuevas puertas lógicas que hacen posibles nuevos algoritmos. Una misma tarea puede ser diferente complejidad en la computación clásica y en la computación cuántica, lo que ha dado lugar, a que algunos problemas intratables pasan a ser tratables. [1] II. R ESEÑA H ISTÓRICA Hubo varios teóricos que propusieron el concepto de las computadoras cuánticas en las décadas de 1970 y 1980, pero muchos científicos dudaron que alguna vez ese tipo de computadora pudiera resultar práctica. Pero en 1994, Peter Shor, de AT and T Research, describió un algoritmo cuántico específicamente diseñado para factorizar números grandes y exponencialmente más rápido que las computadoras convencionales, este computador es lo suficientemente rápido como para birlar la seguridad de muchos criptosistemas de clave pública. La eficiencia del algoritmo de Shor alentó a muchos científicos a explotar las capacidades de las computadoras cuánticas. En los últimos años, muchos grupos de investigación de todo el mundo han alcanzado progresos significativos. más importantes del mundo. Dirigió el grupo que demostró la primera computadora cuántica de 1 qubit (en 1998 en la Universidad de California en Berkeley). En IBM Almaden, Chuang y sus colegas fueron los primeros en demostrar los importantes algoritmos cuánticos, el algoritmo de Grover concebido en 1999 para hacer búsquedas en bases de datos con ayuda de una computadora cuántica de 3 qubits, y la búsqueda de pedidos ideada el año pasado (agosto del 2000) con una computadora cuántica de 5 qubits. La factorización con el algoritmo de Shor anunciada hoy es el algoritmo más complejo que se haya demostrado hasta ahora usando una computadora cuántica. [2] III. P RINCIPIO DE F UNCIONAMIENTO Este funcionamiento esta relacionado con la física cuántica, los científicos han estudiado muy a fondo la teoría de la información y como pueden relacionarla con la teoría cuántica que nos describe como es el comportamiento del mundo subatómico. En una computadora clásica, la unidad de información básica es el bit que solo toma valores de 0 ó 1. En una computadora cuántica la unidad de información, es la qubit (quantum bit), la cual toma dos valores a la vez, este fenómeno se conoce como superposición cuántica. Los qubits son átomos o núcleos de átomicos que forman la memoria y el procesador de la máquina. Esta dualidad de la materia a nivel microscópico permite a la computadora trabajar de forma muchísimo más veloz y realizar operaciones en paralelo sin necesidad de agregar procesadores a la máquina. Figura 2. Figura 1. Mientras estuvo en IBM, Chuang amplió su reputación como uno de los experimentalistas en computación cuántica D-Wave es la única Compañía de computación cuántica que existe comercialmente en el mundo, respaldada con un capital de más de $20 millones. Su objetivo es para fines comerciales, los Computadores Cuánticos que puedan ser usados online o enviados a piezas destinadas a albergar equipos para resolver complejos y costosos problemas tales como optimizaciones 2 financieras. Se ha predicho que la computación cuántica hará de la seguridad computacional algo obsoleto, al ser capaz de “hackear” cualquier esquema de codificación, por muy complejo que este sea, al entregar una cantidad ilimitada de recursos de procesamiento simultáneos. Múltiples estados cuánticos existen al mismo tiempo, así es que cada bit cuántico, o “qubit”, es simultáneamente un “0´´ y un “1´´.El prototipo de D-Wave consta sólo de 16 qubits, pero sistemas con cientos de qubits podrían ser capaces de procesar una cantidad inimaginable de información de entrada. [3] IV. E NMARAÑAMIENTO C UÁNTICA Al parecer, una partícula puede transmitir rapidamente información a otra, o sea en tiempo cero estando una separada de la otra por millones de años luz, esto implicaría que se podría viajar a estrellas muy distantes y superar la velocidad de la luz, las dos particulas podrian estar interconectadas instantaneamente a pesar de que mediara entre ellas una gran distancia. En base a estos principios se esta investigando la teletransportación y se han conseguido ya resultados satisfactorios en laboratorio donde se teletransportó un pequeño trozo macroscópico de cesio a una distancia de sólo medio metro. VI. VI-A. VI-B. Compuertas cuánticas Las compuertas muy parecidas con las que utilizamos en la actualidad, con la diferencia de que éstas trabajan sobre qubits. S UPERPOSICIÓN C UÁNTICA Una aplicación del principio de la superposición a la mecánica cuántica es la Superposición cuántica . Ocurre cuando un objeto "posee simultáneamente" dos o más valores de una cantidad observable. Siendo mas específico, en mecánica cuántica, cualquier cantidad observable corresponde a un autovector de un operador lineal hermítico. La combinación lineal de dos o más autovectores da lugar a la superposición cuántica de dos o más valores de la cantidad. Si se mide la cantidad,entonces, el postulado de proyección establece que el estado colapsa aleatoriamente sobre uno de los valores de la superposición (con una probabilidad proporcional al cuadrado de la amplitud de ese autovector en la combinación lineal). Immediatamente después de la medida, el estado del sistema será el autovector que corresponde con el autovalor medido. Es natural preguntarse por qué los objetos (macroscópicos, newtonianos) y los acontecimientos "reales" no parecen exhibir propiedades mecánico cuánticas tales como la superposición. En 1935, Erwin Schrödinger ideó un experimento imaginario, ahora llamado el gato de Schrödinger, que destacó la disonancia entre la mecánica cuántica y la física newtoniana. De hecho, la superposición cuántica da lugar a muchos efectos directamente observables, tales como los picos de interferencia de una onda de electrón en el experimento de doble-rendija. Si los operadores correspondientes a dos observables no conmutan, entonces no tienen autofunciones simultáneas y, por tanto, obedecen el principio de indeterminación. Un estado que tiene un valor definido de uno de los dos observables corresponde a una superposición de muchos estados para el otro observable. V. vector de n qubits representa a la vez 2n estados, de forma que un vector de 2 qubits representa los estados 00, 01, 10 y 11. Con 2 estados discretos distintos, cualquier sistema cuántico puede servir como qubit, un spin de electrón que apunta arriba o abajo, o un spin de fotón con polarización horizontal o vertical. C ARACTERÍSTICAS DE UN C OMPUTADOR C UÁNTICO El qubit Su nombre esta representado por sus siglas: quantum bit, que representa ambos estados (0 y 1) al mismo tiempo. Un VI-C. Entanglement Debido a este fenómeno ( Entanglement ), si 2 partículas son generadas en un mismo proceso, permanecen relacionadas una con la otra, de tal forma que no se pueden describir de forma aislada los subsistemas que forman. En el momento en el que cualquiera de las dos partículas cambia de estado, repercute en la otra. Esto se produce al intentar medir el estado de una de ellas. [2] VI-D. Teletransportación cuántica Fue descrita por Stean como “la posibilidad de transmitir qubits sin enviar qubits". Mientras que en la computación tradicional para transmitir bits estos son clonados/copiados y posteriormente enviados por diversos medios de transmisión. . . en la computación cuántica esto no es posible. A la hora de enviar un qubit, el receptor no llegará a saber cuál era su estado anterior con certeza, pues como hemos comentado anteriormente, cualquier intento de medirlo produce una modificación en dicho estado, de tal manera que se pierde, siendo ya imposible recuperarlo. Sin embargo, podemos solucionar este problema a través del fenómeno del “entanglement". Para ello, lo que se hace es enredar los qubits del emisor y el receptor, de tal modo que el qubit del emisor se transmite desapareciendo del emisor, y llegando al receptor el qubit teletransportado. Dicha teletransportación se produce por el denominado efecto EPR, mediante el cual tras enredar los dos qubits en el emisor (junto al bit cuántico original que deseamos transmitir) y receptor, y posteriormente separarlos, al realizar la lectura del estado original, estos cambian su estado a otro cualquiera, de tal manera que la información es enviada al receptor, que la utiliza para tratar su bit, de forma que éste acaba siendo idéntico al original. VI-E. El paralelismo cuántico Mediante la superposición cuántica, al utilizar puertas lógicas cuánticas, conseguimos un paralelismo, en cálculos, exponencial. Esto es debido a que a diferencia de los bits convencionales, los bits cuánticos pueden existir en un estado de superposición. VII. D ESVENTAJAS DE LA C OMPUTADORA C UÁNTICA Obtener un sistema que realice cálculos cuánticos es muy complicada, muy a parte del sistema físico que usemos. La influencia del medioambiente alrededor del sistema esta en 3 nuestra contra, sobre todo debido a 2 efectos, el decaimiento y la de coherencia. El decaimiento consiste en la fuga de energía desde el sistema al medio, forzando a los estados de energía más alta a evolucionar emitiendo energía hacia los estados de mínima energía, produciéndose la mezcla inicial de estados y convirtiéndose en una mezcla de sólo los estados de menor energía. La de coherencia, este no implica intercambio de energía con el medio ambiente, sino perdida de información. Este efecto es la razón de que los objetos macroscópicos a nuestro alrededor no presenten el comportamiento dictado por lamecánica cuántica, ya que el medio elimina la mezcla de estados típica de la física cuántica como sise realiza continuamente una serie de medidas sobre el sistema. Debido a que la mezcla de estadoses la que da potencia a la computación, cualquiera de estos dos procesos son nefastos para laconsecución del cálculo. La solución a estos problemas pasa por mantener el sistema tan aislado dela influencia externa como sea posible mientras dure el cálculo. VIII. A PLICACIONES DE LAS C OMPUTADORAS C UÁNTICAS "Si fuera posible encontrar algoritmos y hardware que exploten eficientemente la superposición del qubit, podrían obtenerse ahorros exponenciales en el tiempo de procesamiento. Un ejemplo de esto es la factorización de números grandes (encontrar números que al multiplicarse arrojen el número del cual son factores), en donde las computadoras actuales ven incrementado su tiempo de procesamiento en forma exponencial según aumente el número de dígitos de la cantidad a factorizar. De hecho, los algoritmos actuales para codificar y enviar en forma encriptada información a través de Internet, basan su seguridad en la imposibilidad de las computadoras actuales de encontrar en un tiempo razonable, los factores de un determinado número. El computador cuántico haría obsoletos dichos mecanismos de encriptación. Encriptación: Si bien el computador cuántico haría obsoletos los mecanismos actuales, también provee una solución alternativa basada no tanto en las matemáticas, sino en las leyes de la física por lo que esta solución podría ser prácticamente imposible de violar por los amantes de lo ajeno. Teleportación: Se refiere a comunicar el estado físico de un objeto a otro objeto ubicado en otra parte. La factorización de grandes números : Una computadora actual se estima que tardaría varios miles de millones de años para factorizar un número de 1000 dígitos, mientras que un computador cuántico lo haría en ¡20 minutos!. La búsqueda en bases de datos : Las búsquedas en bases de datos no ordenadas se realizan actualmente al azar (ningún algoritmo es más eficiente) y para localizar un dato en especial se requiere en promedio de N/2 intentos, donde N es el número total de datos. Un computador cuántico podría realizar lo anterior en un número de intentos igual a la raíz cuadrada de N. Así por ejemplo si N es igual a un millón, una computadora actual tendría que intentar 500,000 veces, mientras que el computador cuántico lo haría sólo 1,000 veces". [4] IX. C ONCLUSIONES En este ensayo concluimos con lo que es una computadora cuántica desarrollando una resena histórica para descubrir sus inicios de este tipo de computadoras, el efecto q esta causando en la actualidad el uso de las mismas ya que por lo investigado nos podemos dar en cuanta que estas computadoras son mucho mas eficientes de alguna manera por así decirlo que las computadoras clásicas ya que se utilizaun qubit, se puede realizar la teleportación, la factorización de grandes números. Tambien concluimos que las computadoras cuánticas también tienen sus desventajas ya q afectan al medio ambiente sobre todo a causa de dos efectos el del decaimiento y la coherencia por la fuga de energia que causan . R EFERENCIAS [1] Alejandro Díaz Caro , Julián Samborski Forlese , Departamento de Ciencias de la Computación - FCEIA - UNR: http://www.fceia.unr.edu.ar/~diazcaro/QC/Brevisima.Introduccion.pdf [2] ANDRES MAURICIO GONZÁLEZ SEPULVEDA, FUNDACION UNIVERSITARIA SAN MARTIN, FACULTAD DE INGENIERIA, INGENIERIA DE SISTEMAS : http://www.monografias.com/trabajos16/computacioncuantica/computacion-cuantica.shtml [3] http://www.inadecuado.com/articulos/2007/2/anuncian-laprimera-computadora-cuntica [4] http://www.taringa.net/posts/cienciaeducacion/6252685/Computadoras-cuanticas_-el-futuro-dela-tecnologia_.html