Computadoras Cuanticas

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COMPUTADORAS CUANTICAS Christian Abel Espejo Quezada. Universidad Politécnica Salesiana Cuenca, Ecuador [email protected]

Resumen—La Computación Cuántica ha sido de gran interés para investigadores y científicos en todo el mundo, un ordenador cuántico usa características de las partículas dadas por la mecánica cuántica, entre estas características están la superposición y el enmarañamiento, de esta manera ejecuta procesos y cálculos con ciertas ventajas respecto a la mayoría de sistemas tradicionales. En las computadoras cuánticas la unidad básica es el qubit, el qubit puede tener varios estados a diferencia del tradicional bit que solo puede tener estados 1 o 0. Esta tecnología esta en desarrollo y cada día los científicos están sobrepasando los límites de la teoría y experimentación cuántica. En es te articulo se presenta algunos fundamentos y elementos básicos que se encuentran en las computadoras cuanticas. Index Terms—Computacion cuántica, qubit, algoritmos, superposición.

I.

INTRODUCCIÓN

El proceso de miniaturización en la fabricación de computadoras ha sido uno de los mas espectaculares de la historia de la tecnología. Una de la 19000 válvulas que configuraban el primer ENIAC de 1943 la podíamos sostener en la mano, pero en cambio los transistores que el microprocesador P6 de Intel tiene en uno de sus diminutos chips solo es posible observarlo si es aumentado 6000 veces, no sabemos si existe un limite en la carrera de diseñar componentes cada ves mas pequeños, al parecer no, la barrera que se antepone a este desarrollo no es de carácter tecnológico sino teórico. El elemento básico de la computadora clásica es el bit de información este solo puede tener 2 valores o estados 0 o 1. En un computador cuántico la unidad básica de información es el quantum bit o qubit que podría almacenarse en un átomo de hidrógeno, un cero cuando el electrón estuviera en el nivel energético más bajo y un uno cuando este en el nivel energético superior, en computación clásica el electrón solo puede estar en los 2 estados definidos 0 y 1, pero en computación cuántica el electrón se encuentra en un estado de superposición, este electro seria capaz de llegar a almacenar 2500 estados diferentes. En un computador cuántico cada uno de los qubit podría funcionar como un pequeño ordenador trabajando en paralelo con todos los demás, no es difícil imaginar la potencia de cálculo que podría tener un computador de estas características. En la actualidad existen claves criptográficas que con los computadores clásicos se tardaría millones de años en descifrar pero con un computador cuántico se podría hacer en apenas unas horas. Uno de los mayores retos técnicos que tiene actualmente el computador cuántico es como realizar el aislamiento del

qubit, ya que cualquier contacto con el mundo macroscópico rompería su estado de coherencia lo que haría imposible hasta su sola observación, es por esto que el qubit debe estar completamente aislado, para ello hay que retenerlo en lo que se denomina una trampa iónica, es quiere decir mantenerlo suspendido entre campos magnéticos y haces de rayos x. II.

HISTORIA

Por toda la historia el desarrollo de las matemáticas ha ido de la mano con el desarrollo de las computadoras, uno de los primeros dispositivos para contar fue el Abaco, se dice que el Abaco babilónico data del año 3000 antes de cristo, con este instrumento se podían realizar la cuatro operaciones básicas, sev podría decir que fue una calculadora mecánica. En 1617 John Napier descubrió el fundamento de los logaritmos para realizar cálculos complejos, publico las primeras tablas logarítmicas y sentó las bases para la elaboración de un nuevo instrumento de cálculo. En 1642 Blaise Pascal invento un dispositivo para sumar y restar números hasta un máximo de 7 dígitos, comúnmente conocida como la pascalina. En 1671 se diseño otro tipo de calculadora, esta maquina fue superior a la pascalina ya que podía realizar multiplicaciones, divisiones y raíces cuadradas. En 1679 se da a conocer el modo aritmético binario lo cual serviría después de algunos años para el procesamiento de información de las computadoras modernas. En 1822 se diseño la maquina diferencial con fundamentos mecánicos, después construyó la maquina analítica que en teoría era similar a la computadora actual ya que disponía de programa, memoria, unidad de control, periféricos de entrada y salida. La primera generación esta constituida por computadoras construidas con válvulas de vacío, en 1942 se termino de construir la primera computadora que operaba en sistema binario con circuitos lógicos y de memoria, fue la primera computadora digital automática. Luego se creo la C3 q es considerada la primera calculadora programable. Segunda generación, el hecho que marco esta época es la sustitución de la válvula de vacío por el transistor, con esto las maquinas ganaron potencia, disminuyeron el tamaño y el consumo de energía. Tercera generación, lo más significativo en esta generación es el circuito integrado, pero el software también evolucionó dando paso a los lenguajes estructurados, además se comenzó a usar las memorias RAM y ROM. Cuarta generación, en 1971 se invento el microprocesador, se crea Microsoft en 1975 y en 1976 Steve Jobs y Steve

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Wozniak crearon la Apple I y de esta manera nación Apple Computer Quinta generación, en 1997 Intel lanza el microprocesador Pentium que mejoro el rendimiento de aplicaciones multimedia, gráficos 3D y mucho mas. III. III-A. CA

COMPUTACION CUANTICA

FUNDAMENTOS DE LA COMPUTACION CUANTI-

Las computadoras cuánticas están basadas en propiedades de interacción de partículas subatómicas. Una de las propiedades más importante es la superposición cuántica. La superposición cuántica permite tener en un mismo instante de tiempo múltiples estados en un bit cuántico. Esta propiedad es aprovechada para lograr el paralelismo cuántico. III-B. ELEMENTOS BASICOS DE LA COMPUTACIÓN CUANTICA III-B1. El bit cuántico.: El bit cuántico mas comúnmente llamado qubit es el elemento básico de la computación cuántica, como mencionamos anteriormente un qubit puede tener 2 estados 1 y 0 simultáneamente. III-B2. Compuertas cuánticas.: Las compuertas lógicas son operaciones unarias sobre qubits. III-B3. Entrelazamiento cuántico ó Entanglement.: Es un fenómeno de la mecánica cuántica que ocurre durante algunas millonésimas de segundo. Debido a este fenómeno dos partículas subatómicas permanecen indefectiblemente relacionadas entre si, pero si las partículas han sido generadas en un mismo proceso. Estas partículas dan como resultado subsistemas que no pueden ser descritos individualmente, esto quiere decir que si una de las partículas sufre algún cambio la otra automáticamente lo sufre también. Una de las aplicaciones que se puede dar a este fenómeno es el enviar mensajes que sean indescifrables. III-B4. Teletransportación cuántica.: La Teletransportación cuántica es la posibilidad transmitir qubits sin enviar qubits. En la computación cuántica no es posible clonar, copiar o enviar qubits de un lugar a otro como se hacen con los bits en una computadora clásica. La Teletransportación cuántica se basa en el entrelazamiento para poder transmitir un qubit sin necesidad de enviarlo. La Teletransportación se da de la siguiente manera: existe un par de qubits entrelazados, este qubits es transmitido desde el emisor, desaparece de este y aparece en el receptor. III-B5. Criptografía cuántica.: Es un a de la primeras aplicaciones de la computadora cuántica. La criptografía garantiza una absoluta confidencialidad de la información que es transmitida por fibra óptica, esto se da almacenado la información en el fotón. III-C.

REQUERIMIENTOS PARA LA IMPLEMENTACIÓN.

Para poder implementar una computadora cuántica se deben cumplir algunos requisitos. Primero, se necesita un sistema

de qubits. Segundo, los qubits deben ser individualmente direccionables y deben interactuar con otros para conformar compuertas lógicas. Tercero, debe ser posible la inicialización de las compuertas. Cuarto, se debe tener la posibilidad de extraer los resultados computacionales. Y Quinto, es la necesidad de un tiempo de coherencia duradero. IV.

CONCLUSIONES

Las computadoras cuánticas están revolucionando cada día mas el mundo tecnológico, ya que en todo el mundo investigadores y científicos no descansan en la búsqueda de nuevas tecnologías que se puedan utilizar para realizar computadoras cuánticas que sean mas estables. Algunos años atrás no se pensaba que un bit pudiera tener mas de un estado a al vez, pero gracias al estudio de la física cuántica esto es posible, no pasara mucho tiempo para que la física cuántica sea tomadas mas en cuenta para la construcción de nuevas computadoras que serán exponencialmente mas rápidas que las computadoras clásicas. El avance tecnológico se da a pasos agigantados es por esta razón que siempre debemos estar informándonos sobre nuevas tecnologías. R EFERENCIAS

[1] Ing. Leonel Morales, “Computación Cuántica”, . Disponible en: http://www.tec.url.edu.gt/boletin/URL_12_SIS01.pdf [2] Teletransporte Cuántico. Disponible en: http://www.dma.eui.upm.es/consultas/cuantica/IC_Temas_31_Teletransporte_Cuantico.pd [3] Jason Palmer, “El poderoso futuro de las computadoras cuánticas”. Disponible en: http://www.bbc.co.uk/mundo/noticias/2011/03/110322_1245_computadora_cuantica_futu Marzo 22, 2011. [4] “Computación Cuántica”, Disponible en: http://www.solociencia.com/informatica/06032201.htm [5] Marcos Saraceno, “Computación Cuántica”, . Disponible en: http://www.ieee.org.ar/downloads/2008-comp-cuantica.pdf [6] “La Computación Cuántica”, Disponible en: http://sisbib.unmsm.edu.pe/bibvirtualdata/Tesis/Basic/gutierrez_mj/capitulo5.PDF [7] “Computación Cuántica”, Disponible en: http://www.tec.url.edu.gt/boletin/URL_12_SIS01.pdf