Computación Cuántica Del átomo de Bohr a los qubits
Tipos de Computación
• • • •
Computacion Clasica: Ley de Moore Computacion Molecular: Nanotecnologia Almacenamiento 3D – 2020 Computacion Cuántica: Nuevos Algoritmos
Computacion Cuantica vs Clasica • Estado Computacional • Estados por medios Macro Fisicos • Trayectoria de la información secuencial
Modelo de la computación clásica • Toda función C es realizable por medio de un numero limitado de compuertas standard llamados conjuntos universales
Ley de Moore
En el 2020 será imposible físicamente acumular más transistores en la misma área (usar tres dimensiones nos daría unos años más). Separarlos tendría consecuencias en la velocidad de transmisión entre circuitos.
Modelo de la computación cuántica • Qbit como unidad básica de información
El Qbit 0> 1>
1 qbit representa un vector multidimensional complejo, representa el espacio de Hilbert, sus valores son puramente probabilisticos
Azul: spin del qubit electrónico Rojo: spin del núcleo del átomo
Mientras mayor sea el número de qubits utilizados, el número de universos posibles para hacer una operación en cada uno también aumenta #universos = 2^L
donde L es el número de qubits.
Entrelazamiento Cuántico El entrelazamiento cuántico explica como un conjunto de partículas (que pueden ser solo 2) entrelazadas están unidas en su existencia de manera que aunque existan miles de años luz entre las mismas el cambio de estado de una de una de ellas afecta al resto de forma inmediata más rápida que la luz.
Elementos de impacto de la C.C. •Velocidad de cómputo •Criptoanálisis •Criptografía •Comunicación •Generación de números aleatorios * •Simulación de procesos cuánticos *
Resumiendo: Bits Vs. qubits •Un bit solo representa un 1 o un 0. •Un qubit puede representar un 1 o un 0 o ambos al mismo tiempo (en superposición). •El valor de un bit está representado por un alto o bajo voltaje.
•El spin, la suma de los spins en una molécula o la polarización de la luz definen el estado o valor del qubit. •Mediante una función de onda, láser o electromagnética se excitan, estabilizan o se superponen los electrones o átomos.
Analogia entre tren de pulsos representando el angulo de fase de los vectores cuánticos (Eco de Halm) Ejemplo en acustica.
Fenómenos no locales La paradoja Einstein-Podolsky-Rosen y el teorema de Bell
0
Teletransportación o comunicación instantánea
Criptografía cuántica Cuando observamos o medimos un sistema cuántico, de hecho alteramos las propiedades de dicho sistema. En otras palabras, sería imposible "tocar" un mensaje cuántico sin dejar marcada una huella.
Computación Cuántica Vs Clásica •La factorización de grandes números : (Algoritmo de Shor) Número a factorizar N = 1000 dígitos, Computadora actual = ~ varios miles de millones de años, Computadora cuántica = ~ 20 minutos. •La búsqueda en bases de datos : (Algoritmo de Grover) La búsqueda de un dato en una bases de datos no ordenada se realiza actualmente en un promedio de N/2 intentos, donde N es el número total de datos. Una computadora cuántica realizaría lo anterior en la raíz cuadrada de N.
•Si N = 1 millón, Computadora actual = 500,000 intentos, Computadora cuántica = 1,000 veces (2 o 3 veces más por un factor de error). •Comunicación instantánea : Basado en EPR y Teo. de Bell.
•Criptografía segura : Basada en el principio de incertidumbre de las leyes físicas.
Problemas con la computación cuántica
• Decoherencia Cuantica (colapso del estado cuantico)
• Escalabilidad
• Aislamiento del qbit
Atrapador de iones
Hardware para computación cuántica • Condiciones a cumplir • El sistema ha de poder inicializarse, esto es, llevarse a un estado de partida conocido y controlado. • Ha de ser posible hacer manipulaciones a los qubits de forma controlada.
Condiciones del hardware: • El sistema ha de mantener su coherencia cuántica a lo largo del experimento. • Ha de poder leerse el estado final del sistema, tras el cálculo. • El sistema ha de ser escalable: tiene que haber una forma definida de aumentar el número de qubits, para tratar con problemas de mayor coste computacional.
Tipo de Hardware a usar • Espines nucleares de moléculas en disolución, en un aparato de RMN. • Flujo eléctrico en SQUIDs. • Iones suspendidos en vacío . • Puntos cuánticos en superficies sólidas. • Imanes moleculares en micro-SQUIDs. • Atrapador o trampa de iones.
Atrapador de iones como hard • Los iones encerrados en un recipiente aislado de campos electromagnéticos espúreos(distintos de los que permiten atrapar a los iones), y en un ambiente de alto vacío para suprimir el choque de los iones con otros átomos sueltos. Cada uno de los iones almacena un cubit de información,correspondiéndose los valores de 0 y 1
• Se usan Iones de rubidio enfriados y confinados por campos electromagneticos son excitados selectivamente por pulsos laser. Se utiliza el estado fundamental y otro metaestable como qubit.
Aplicaciones de la computación cuantica • 1) Mejorar exponencialmente la velocidad de procesamiento de nuestros ordenadores. • 2) Se podrán hacer simulaciones mucho más realistas, los simuladores del futuro sustituirán a los experimentos reales. Curiosamente, es muy posible que los ordenadores cuánticos ayuden a avanzar la mecánica cuántica.
• Simulación de entes Biologicos (células, virus ADN)
• Mayor exactitud a los meteorólogos en predecir el clima • Sistemas criptográficos. Información en capas no en cadena • se podrían resolver algunos problemas que hoy en día son algorítmicamente irresolubles (ej los de complejidad exponencial problema del viajero)
FIN
Gracias!