Ordenadores cuánticos
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Ordenadores cuánticos

Homo homini sacra res | 2011-03-16

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Ordenadores cuánticosDesde 1981, con Paul Benioff a la cabeza, se lleva trabajando en la aplicación de la física cuántica al mundo de la computación. En este nuevo reto en el que física y lógica informática están embarcados, existen unos elementos esenciales que cambian o mejoran: son los bits, que en computación cuántica pasan a llamarse qubits, los cuales han de ser pensados y definidos en términos cuánticos.


La influencia de la física cuántica


Ordenadores cuanticos por carlos3587

La física cuántica está extendiendo su influencia en todos los saberes y disciplinas académicas hasta llegar al mundo de la tecnología, y en concreto a los ordenadores.

La computación cuántica

La física y la informática se han unido para conseguir resolver problemas complejos que la computación tradicional basada en bits ya no podía solucionar creando un nuevo paradigma o nueva era dentro comparable a la aparición del microchip o circuito integrado.

El microchip, de material semiconductor, había conseguido reducir el espacio hardware y la velocidad de los procesos y operaciones lógicas en los ordenadores. Este fue un cambio muy importante del que todavía nos beneficiamos y que devino en la producción de aparatos electrónicos móviles como teléfonos, PDA, Pockets PC, tablets, etc. Sin embargo reducir el tamaño de los circuitos integrados y aumentar su velocidad tiene un límite. Superado éste, los cálculos y operaciones lógicas comienzan a ser inexactos y las máquinas dejan de funcionar bien (1). Por esta razón, los expertos en informática, físicos y matemáticos, aun orgullosos de haber desarrollado el microchip, nunca han dejado de pensar en una nueva evolución ante algo siempre inminente en el mundo de la tecnología: todo se queda obsoleto.

De esta forma, desde 1981, con Paul Benioff a la cabeza, se lleva trabajando en la aplicación de la física cuántica al mundo de la computación. En este nuevo reto en el que física y lógica informática están embarcados, existen unos elementos esenciales que cambian o mejoran: son los bits, que en computación cuántica pasan a llamarse qubits, los cuales han de ser pensados y definidos en términos cuánticos.

La computación tradicional ejecuta nuestro programa de correo partiendo de voltajes eléctricos que representan dos valores: 0, sino hay voltaje, y 1, si lo hay. Así un bit, como primera unidad mínima y lógica de información puede tomar esos dos valores y nunca al mismo tiempo. Los bits, macroscópicamente, pueden ser almacenados de forma física en condenadores que toman el valor de cargado, 1, o descargado, 0. Un conjunto de 8 bits se convierte en un byte, éste en un conjunto de 1024 conforma un megabyte, y así siguiendo. Este sistema binario, que así se denomina, se queda obsoleto para resolución de operaciones algorítmicas muy complejas como la factorización, y para solucionar éstas aparece una nueva unidad mínima y lógica de información que es el qubit. Así un qubit puede tomar el valor de 0, de 1 y ambos de forma simultánea. Un ejemplo: 3 bits pueden dar ocho valores posibles (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 y 111) y recordemos que esa triada de bits solo puede adoptar un valor distinto en cada momento. Con los qubits y debido a las leyes de la mecánica cuántica una triada de qubits puede adoptar los ocho valores a la vez gracias a la superposición cuántica y así correr ocho operaciones al mismo tiempo.

Esto se debe al uso de distintos materiales como el niobidio que a bajas temperaturas se vuelve superconductor, y permite la comunicación a nivel cuántico, es decir en ondas o partículas. Sobre este sistema de comunicación cuántico se generan los qubits, que también se corportarán de forma cuántica y adoptarán los estados referidos antes: 0, 1 y ambos a la vez. Y aquí es dónde la cosa se complica, debido a que intervenienen las leyes de la mecánica cuántica y no las de la mecánica clásica, lo que obligará a los profesionales de la informática a revisar, nos atrevemos a decir, hasta sus creencias.

¿Cómo afectará esto al sector tecnológico? Si estuvieramos programando a bajo nivel con un ordenador cuántico, habría que ver si podríamos pensar en 0 ó 1 o verdarero o falso mientras plasmamos nuestras ideas en un diagrama de flujo, por ejemplo. Ni que decir tiene que la computación cuántica agitará los lenguajes de programación, protocolos de comunicaciones y en general todo lo relacionado con la informática.

Al día de hoy ya se está trabajando con ordenadores cuánticos para proyectos determinados como Rainier, un ordenador cuántico adiabático de D-Wave Systems de 128 cubits que se utiliza para la factorización de números primos. También, en el sector de la medicina, se está utilizando tecnología cuántica. No obstante, como ocurre con todas iniciativas en desarrollo aun es pronto para afirmar que la física cuántica afectará y reinventará todos los sectores tecnológicos. Un aspecto importante es el tipo de hardware que se utilizará para correr sistemas operativos cuánticos. A continuación algunas condiciones a cumplir por la parte física de los ordenadores:

  • 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, con un conjunto de operaciones que forme un conjunto universal de puertas lógicas (para poder reproducir cualquier otra puerta lógica posible).
  • 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.

Habremos de estar muy atentos a cómo evoluciona todo este nuevo fenómeno dentro del sector tecnológico.


Notas:
(1) Una partícula clásica, si se encuentra con un obstáculo, no puede atravesarlo y rebota. Pero con los electrones, que son partículas cuánticas y se comportan como ondas, existe la posibilidad de que una parte de ellos pueda atravesar las paredes si son demasiado finas; de esta manera la señal puede pasar por canales donde no debería circular. Por ello, el chip deja de funcionar correctamente. En consecuencia, la computación digital tradicional no tardaría en llegar a su límite, puesto que ya se ha llegado a escalas de sólo algunas decenas de nanómetros. Fuente Nota Wikipedia