Computación cuántica explicada (como si fuera un niño de 5 años)

El concepto de "Computación Cuántica" que recientemente se está volviendo viral -gracias a un cierto Primer Ministro- es uno de los muchos territorios desconocidos de la ciencia por nosotros, no científicos, píos .

La razón por la que la mayoría de nosotros no hemos oído hablar de ella, a pesar de que estuvo presente durante décadas, es que en su mayor parte es teórica y quienes la experimentaron al principio se mantuvieron en silencio debido a la necesidad para el secreto militar y corporativo.

No obstante, ahora sabemos que existe una combinación de mecánica cuántica e informática y, de repente, está dentro del alcance de interés de todos. Si no sabe qué computadora cuántica pero no quiere que se quede fuera del circuito, continúe leyendo para descubrir por qué es mejor que las computadoras tradicionales con las que trabajamos hoy.

De computadoras tradicionales y bits

Las computadoras son en su mayoría digital-electrónicas e interactuarán con los datos representados en dígitos binarios conocidos como bits (0 y 1). Ya se trate de imágenes, texto, audio o cualquier otro dato, todo está almacenado en bits.

Físicamente, los números binarios 0 y 1 se pueden representar utilizando cualquier entidad de dos estados, como una moneda (cabeza y cola) o un interruptor (encendido o apagado). En las computadoras, los bits son la presencia o ausencia de voltaje (1 o 0), o el cambio o la preservación de la dirección magnética en los discos duros magnéticos.

Los datos se manipulan al computar los bits almacenados . La computación se realiza mediante compuertas lógicas que generalmente están compuestas por transistores que controlan el paso de la señal electrónica. Si permite que la señal pase, es el bit 1 y si la señal se corta, es 0.

Los límites de los transistores

Con el tamaño del chip cada vez más reducido y el número creciente de componentes, los dispositivos electrónicos pueden venir con millones de transistores que pueden ser tan pequeños como 7nm (que es 1000 veces más pequeño que un glóbulo rojo y solo 20 veces más grande que algunos átomos).

El tamaño de los transistores puede seguir disminuyendo pero, eventualmente, alcanzarán un límite físico donde los electrones simplemente pasarán por ellos y no habrá control sobre el flujo de la señal electrónica.

Para la necesidad cada vez mayor de computación potente y dispositivos más pequeños, un límite de tamaño en un componente electrónico básico es una curva de progreso . Los científicos están buscando nuevas formas que requieran menos tiempo y espacio para computar y almacenar datos, y una de las formas en que podemos usar es la computación cuántica.

Qubits, superposición y enredo

La computación cuántica utiliza qubits en lugar de bits para representar datos. Los Qubits se representan usando partículas cuánticas como electrones y fotones .

Las partículas cuánticas poseen propiedades como spin y polarización que pueden usarse para representar datos. Por ejemplo, un qubit que gira hacia arriba puede ser 1 y hacia abajo 0.

Pero el poder de la computación cuántica proviene del hecho de que a diferencia de los bits que son 1 o 0, los qubits pueden ser 1 y 0 simultáneamente, debido a una propiedad llamada superposición, donde las partículas cuánticas se encuentran en múltiples estados al mismo tiempo.

Esto aumenta la potencia de cálculo de qubit, ya que se puede usar tanto para 1 como para 0 durante el cálculo y al final, una vez medida, se convierte en 1 o 0.

La propiedad de superposición se puede explicar fácilmente mediante un famoso experimento de pensamiento realizado en un gato imaginario por Schrödinger, un físico austriaco.

En el mundo cuántico, también hay otra propiedad que puede explotarse al calcular el enredo cuántico . Básicamente se refiere a las propiedades de las partículas cuánticas que se enredan y se vuelven dependientes entre sí y, por lo tanto, no se pueden cambiar por separado.

Actúan como un solo sistema con un estado general.

Digamos que 2 qubits se enredan, si uno de los estados del qubit se cambia, el otro también cambiará. Esto lleva a un procesamiento o computación en paralelo real que puede reducir significativamente el tiempo de computación en comparación con las computadoras tradicionales.

Dificultades y Usos

Hay muchos obstáculos prácticos que los científicos e ingenieros deben superar, como crear un entorno controlado para los qubits y encontrar formas de manipular sus propiedades para producir un resultado deseado.

Pero una vez que se crean finalmente las computadoras cuánticas con alto poder computacional, se pueden usar para resolver problemas que de otra manera tardarían mucho tiempo en completarse con las computadoras tradicionales.

Encontrar factores primos de grandes números, el problema del vendedor viajero para un gran número de ciudades y otros problemas similares requieren un número exponencial de comparaciones para obtener resultados . Además, buscar en bases de datos colosales sigue siendo un proceso que consume mucho tiempo, incluso para las computadoras digitales actuales.

Estos problemas se pueden abordar con computadoras cuánticas, que pueden resolver problemas que pueden llevar siglos en las computadoras tradicionales, en cuestión de minutos.

(H / T: IBM)