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Cinco términos rápidos de computación cuántica que aprender

Las computadoras cuánticas utilizan la física atómica para completar cálculos extensos en un minuto, pero es posible que no esté familiarizado con algunos términos de computación cuántica. Esta guía ofrece una cartilla.

La computación cuántica continúa ganando interés como la próxima gran innovación de computación después de la inteligencia artificial, a pesar del costo prohibitivo y la falta de accesibilidad.

Investigadores, instituciones académicas y empresas están trabajando en recursos, y unidades de procesamiento, que utilizan la física cuántica para realizar cálculos mucho más rápido que el hardware de computación tradicional. Las computadoras cuánticas pueden admitir unidades de datos que pueden existir en más de un estado, lo cual es una limitación de los sistemas binarios.

Los usos potenciales de la computación cuántica en la empresa incluyen la realización de análisis estadísticos, la resolución de procesos de optimización, el descifrado de cifrado y la factorización de grandes conjuntos de números. En 2019, IBM y D-Wave Systems son los principales proveedores que buscan activamente el desarrollo de chips y hardware de computadores cuánticos.

Empezando con los conceptos cuánticos

Estos términos de computación cuántica pueden ayudar a los administradores de TI a construir una comprensión básica.

Teoría cuántica

Este campo es el estudio del comportamiento de la materia y la energía a nivel atómico y subatómico. Hay dos análisis principales en la teoría cuántica: la interpretación de Copenhague y la teoría de los mundos múltiples.

En la interpretación de Copenhague, Niels Bohr afirmó que una partícula se puede medir como una onda o una partícula, pero los científicos no pueden asumir que la partícula tiene propiedades específicas hasta que la observen.

Otra forma de explicar la interpretación de Copenhague es el ejemplo del gato de Schrödinger. Este experimento busca explicar la brecha entre la teoría cuántica y lo que realmente sucede a nivel molecular. Un gato vivo se coloca en una caja con material radioactivo y un contenedor de ácido cianhídrico. Si cualquiera de los materiales radioactivos comienza a descomponerse, una palanca abre el vial de ácido, lo que mata al gato. Pero los investigadores no pueden saber si el gato está vivo o muerto porque no pueden ver si la botella se rompe mientras está dentro de la caja.

La respuesta de la teoría de los mundos múltiples, o multiverso, al gato de Schrödinger es que, tan pronto como un objeto existe en cierto estado, se crea una serie de universos paralelos que contienen todos los estados posibles de ese objeto. La idea es que el gato está tanto vivo como muerto.

La teoría cuántica proporciona la base para la computación cuántica. Los profesionales de TI verán más desarrollo para los sistemas cuánticos en los próximos 10 años, así como casos de uso empresarial en los sectores de finanzas, salud, defensa y tecnología.

Qubit

Esta es la versión de un bit para la computación cuántica; sirve como una unidad básica de información. Dentro de un sistema cuántico, el número de partículas en un qubit puede ser una representación de 0 y/o 1.

Aunque el registro de dos bits de una computadora ordinaria solo puede almacenar una de las cuatro configuraciones binarias (00, 01, 10 u 11) a la vez, un registro de dos qubits puede almacenar simultáneamente los cuatro valores porque un qubit representa dos valores en lugar de uno.

Dado que las computadoras cuánticas aún no son bastante convencionales, los beneficios del qubit son en gran medida especulativos, pero la idea es que permite a los usuarios finales calcular más resultados posibles en un período de tiempo más corto.

Interferencia cuántica

Este término de computación cuántica es uno de los principios más desconcertantes de la teoría cuántica. Especifica que las partículas elementales pueden estar en varios lugares a la vez, y que cualquier partícula individual puede cruzar su propia trayectoria y obstruir la dirección de la trayectoria de la partícula.

Hay dos conceptos para ayudar a comprender la interferencia cuántica: la superposición y el experimento de doble rendija. La superposición es la capacidad de un sistema cuántico de estar en varios estados al mismo tiempo antes de que los investigadores tomen cualquier medida.

Thomas Young realizó el experimento de doble rendija en 1801. Young instaló una placa fotográfica y dirigió un rayo de luz a una barrera con dos rendijas verticales. Cuando se cubrió una rendija, vio un solo bloque de luz. Pero cuando Young dirigió la luz a ambas rendijas abiertas, no solo vio dos bloques de luz, sino múltiples bloques de luz de diferentes niveles de luz.

Los resultados de este experimento muestran una interferencia y establecen la idea de que los fotones de luz, cuando se proyectan, cruzan todas las trayectorias posibles antes de golpear un objetivo, en lugar de atravesar una rendija.

El otro componente de la interferencia cuántica es la dualidad onda-partícula. La mecánica tradicional separa el movimiento de la luz en ondas y partículas. Las ondas se mueven continuamente y se extienden espacialmente, mientras que las partículas son discretas y ocupan poco espacio. En la mecánica cuántica, esta dualidad significa que las ondas pueden comportarse como partículas y viceversa.

La interferencia cuántica, combinada con la dualidad onda-partícula, dificulta a los usuarios predecir experimentos o procesar resultados de trabajo. Estos conceptos ayudan a los investigadores a comprender el funcionamiento interno de los sistemas cuánticos y podrían dar una idea de cómo desarrollar la tecnología de procesamiento para computadoras cuánticas. La investigación sobre la interferencia cuántica ha descubierto casos de uso para la criptografía cuántica, la computación cuántica y el dispositivo superconductor de interferencia cuántica.

Casos de uso cuánticos más allá de una computadora

Criptografía cuántica

Este es un método que los criptólogos pueden usar para construir un sistema criptográfico y codificar mensajes.

La principal diferencia con la criptografía tradicional es que la criptografía cuántica utiliza la física, en lugar de las matemáticas, como parte de su modelo de seguridad. Utiliza propiedades de partículas de fotones individuales para desarrollar un sistema de cifrado impenetrable.

Los posibles casos de uso de este sistema criptográfico son las comunicaciones entre la Casa Blanca y el Pentágono, así como otros sitios militares clave y contratistas de defensa.

Internet cuántica

Este sistema hipotético de computadoras cuánticas interconectadas usa ondas cuánticas para comunicarse entre sí, en lugar de ondas de radio. Para hacer posible la internet cuántica, la infraestructura debe mantener las computadoras cuánticas en entornos tan bajos como el cero absoluto para garantizar la funcionalidad.

Se especula que esta tecnología será un sector especializado de internet tradicional, y los científicos la usarán para realizar investigaciones entre laboratorios.

Este artículo se actualizó por última vez en mayo 2019

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