Imagen: En la representación geométrica de un estado cuántico de dos niveles, un qubit, como un espín, puede representarse mediante un punto en una esfera.
En esta esfera de Bloch, el primer qubit (qubit 0) está en estado 100% cuántico |1>, mientras que el segundo qubit (qubit 1) está en estado 100% cuántico |0>.
Los puntos de la superficie de la esfera corresponden a los estados puros (descritos por un solo vector) del sistema, mientras que los puntos interiores corresponden a los estados mixtos, 20% |0> + 80% |1> (descrito por su matriz de densidad con longitudes y ángulos).
Crédito: Computadora cuántica de IBM.
El qubit
A l'échelle microscopique, le calculateur quantique utilise les propriétés quantiques de la matière en particulier la superposition d'états.
La computadora cuántica o procesador cuántico trabaja en qubits cuyos valores 0 y 1 (notación para estados cuánticos: |0 > o |1 >) están todos superpuestos a diferencia de la computadora clásica cuyos valores son 0 o 1 . En otras palabras, con una computadora clásica 2 bits corresponden a 2 piezas de información, con una computadora cuántica 2 qubits corresponden a 4 piezas de información donde cada pieza de información es probabilística, 10% |00 > + 25% |01 > + 60% |10 > + 5% |11>.
Entonces 4 bits corresponden a 4 información y 4 qubits a 16 información probabilística. Cada vez que sumamos 1 qubit multiplicamos por 2 la cantidad de información (2N) que la computadora cuántica puede procesar al mismo tiempo, por lo que pasa a 2N veces más rápido que un ordenador convencional.
N qubits representa una superposición de 2N estados cuánticos mixtos, por lo que la velocidad de procesamiento aumenta exponencialmente con el número de qubits (con 20 qubits el factor de ganancia es 1 millón).
Una metáfora interesante nos permite comparar la computación clásica y la computación cuántica. Si está buscando a alguien en una sala de 1000 personas que mida seis pies y hable inglés, las computadoras tradicionales deben entrevistar a cada participante uno por uno y anotar las respuestas, lo que llevará algún tiempo. Para la computación cuántica, es como si estuviéramos lanzando un llamado general "¿Pueden levantar la mano las personas que miden seis pies y hablan inglés?" », la respuesta es casi instantánea. En este caso, el cálculo es holístico y ya no secuencial.
Con una potencia de 40 qubits, podríamos alcanzar la potencia de la computadora más grande existente en 2021 (IBM's Behold Summit). ¡La ventaja de una computadora cuántica es, por lo tanto, realizar cálculos mucho más rápido!
Una computadora cuántica capaz de manejar 70 qubits (270 de información) de forma controlada, podría arrojar un resultado inmediato sobre 10 mil millones de terabytes de información.
Este número es enorme, de hecho cada año los usuarios de Internet producen alrededor de 1 billón de terabytes de información.
Esta máquina hiperpotente debe trabajar con algoritmos específicos (algoritmos de Glover, Shor, Brassard, Høyer y Tapp, Farhi, Goldstone, Gutmann, etc.). Estos algoritmos cuánticos permiten realizar ciertos cálculos "muy particulares" con extrema rapidez, hoy fuera del alcance de un ordenador convencional.
Atención, la computadora cuántica no podrá ser más rápida que la computadora clásica para aplicaciones de consumo como motor de procesamiento de texto, video, música, etc.
Los ordenadores cuánticos, mucho menos versátiles, no se utilizarán, por tanto, como los ordenadores convencionales, por lo que no serán para el gran público.
N.B.: Un qubit es el portador físico de información cuántica. Es la versión cuántica de un bit, y su estado cuántico puede tomar valores de |0>, |1>, o la combinación lineal de ambos, que es un fenómeno conocido como superposición.
Computadora cuántica
Imagen: Flujo de trabajo que consiste en enviar un trabajo desde una computadora clásica a una computadora cuántica IBM. Una vez que se realiza el trabajo, el resultado de la medición cuántica se devuelve a la computadora convencional para su análisis y almacenamiento.
Para minimizar los errores, además del blindaje contra la radiación, la computadora debe sumergirse en un tanque de helio líquido a una temperatura cercana al cero absoluto (-273 °C).
Crédito de la imagen: Andi Sama
En los últimos años, la mayoría de las actividades de investigación sobre la computadora cuántica se han esforzado por alcanzar la supremacía cuántica.
Desafortunadamente, su desarrollo desde la década de 1990 es extremadamente complejo porque el fenómeno de la decoherencia (pérdida de los efectos cuánticos al pasar a la escala macroscópica) va en contra de la realización física de los elementos básicos: los qubits. Incluso hoy en día, uno de los mayores desafíos en la construcción de computadoras cuánticas es controlar o eliminar la decoherencia cuántica.
Muchos investigadores han expresado su escepticismo sobre la posibilidad de construir computadoras cuánticas evolutivas, generalmente debido al problema de mantener la consistencia a gran escala.
En 1998, IBM presentó una calculadora cuántica de 2 qubits, 5 qubits en 2000 y luego en 2017 sistemas equipados con 16 qubits. En 2017, IBM ejecuta una calculadora de 50 qubits por 90 microsegundos alcanzando el umbral teórico de la supremacía cuántica.
En 2019, Google creó Sycamore, un procesador cuántico de 53 qubits con una potencia supuesta de 10 billones de estados cuánticos superpuestos.
¡Google habría alcanzado la supremacía cuántica!
El artículo publicado por Google el 23 de octubre de 2019 en la revista científica Nature, muestra que por primera vez desde la década de 1990, la computación cuántica es posible. Este artículo ha sido sometido a evaluación por investigadores externos. IBM en competencia con Google publicó un artículo diciendo que el cálculo que tomaría 10000 años según Google con una computadora convencional, sería factible en solo 3 días con otro algoritmo y aumentando la memoria RAM a 250 millones de Go.
La computadora cuántica es muy vulnerable a errores en qubits, lo que requiere códigos de corrección de errores muy sofisticados. Para minimizar los errores, además del blindaje contra la radiación, la computadora debe sumergirse en un tanque de helio líquido a una temperatura cercana al cero absoluto (-273 °C).
De hecho, debe estar completamente aislado del mundo exterior durante la fase de cálculo porque no debe interactuar con otros objetos cuánticos.
Cuantos más qubits tiene el sistema, más disminuye el tiempo durante el cual permanece coherente, incluso disminuye exponencialmente. Más allá de un cierto número de átomos, la duración es cero.
En conclusión, probablemente los ordenadores cuánticos no se dediquen a aplicaciones de consumo sino a cálculos analíticos (mercados financieros, modelos climáticos, simulaciones de física de partículas, visión inteligente, modelado de moléculas, investigación en gigantescas bases de datos, criptografía, etc.). Además estarán acoplados a los ordenadores convencionales para poder ser controlados.
N.B.: La supremacía cuántica (término introducido por el físico John Preskill) designa la cantidad de qubits más allá de los cuales ninguna supercomputadora clásica puede alcanzar la potencia de cómputo de una computadora cuántica. La supercomputadora puede alcanzar la potencia de cálculo de una computadora cuántica de 40 qubits, pero a partir de 50 qubits se vuelve físicamente imposible, el tiempo de cómputo sería inaceptable (miles de años).