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         Estado del Arte de la Computación Cuántica
                                                     Libio Israel Calle Franco
                                                       lcalle@est.ups.edu.ec


   Abstract—From incicio computer in the 1950s were large                                      II. O RIGEN
equipment occupying large areas and they had many limitations
currently computed much smaller and versatile, since 2000 have           La idea del computador cuántico se remonta en las décadas
raised new hypotheses to improve the functioning of quantum           de 1970 y 1980 cuando Richard Feynman [10] del Califor-
computer algorithms from the qubits, composition and behavior.        nia Institute of tecnology, Paul Benioff[4], [5] de Argonne
The quantum computation exploits the characteristics of the
                                                                      Nacional Laboratory, David Deutsche [3] de la universidad
particles provided by quantum mechanics, especially the super-
position and entanglement, to perform calculations and processes      de Oxford y Charles Bennett [6], del T.J. watson Researh
with certain advantages over traditional systems[9] .                 Center de IBM proponen el concepto de computación cuántica.
   At present it has improved several aspects of the quantum          Richard Feyman [11] muestra como un sistema cuántico
study where there are new challenges such as cryptography,            puede ser utilzado para mejorar el rendimiento computacional
decoherence, superposition of states among others that are critical   y este actuar como un simulador para procesos cuánticos
for achieving this computer.
                                                                      probabilísticos de gran peso donde las simulaciones no son
  Index Terms—Qubits, States Over lapping, Decoherence.               eficientes para el almacenamiento probabilístico convencional.
   Abstract—Desde el incicio de la computadora por los años 1950         Esta idea parecía irrealizable hasta que en 1994 Peter Shor
que eran equipos de gran tamaño que ocupaban grandes espacios         [17] de AT&T Research propuso el primer algoritmo cuántico
y que tenian muchas limitaciones hasta las computados de la           específicamente diseñado para factorizar grandes números.
actualidad mucho mas pequeñas y versatiles, desde el año 2000 se
han planteado nuevas hipotesis para mejorar el funcionamiento
                                                                      Este algoritmo es caracterizado por:
del computador cuántico desde la algoritmia hasta los qubits su          • Utilizar métodos de computación cuántica que envuelven
composición y comportamiento.                                         principios de la mecánica cuántica, como el comportamiento
   La Computación Cuántica aprovecha las características de           de las ondas, interferencia y coherencia.
las partículas previstas por la mecánica cuántica, especialmente         • Utilizar algoritmos clásicos para verificar que la solución
la superposición y el enmarañamiento, para ejecutar procesos
y realizar cálculos con ciertas ventajas respecto a los sistemas
                                                                      candidata generada por los algoritmos cuánticos sea correcta.
tradicionales[9].                                                        El éxito de éste algoritmo impulsó la búsqueda de un
   En la actualidad se a mejorado varios aspectos en el estudio       computador cuántico y en 1998 Chuang [14] demostró la
cuántico donde se encuentran nuevos retos como la criptografía,       primera computadora cuántica de un qubit, y ya en 1999
decoherencia, superposición de estados entre otros que son de         Grover [12]propone un algoritmo para hacer búsquedas en
suma importancia para el alcance de este ordenador.
                                                                      base de datos utilizando 3 qubits.
  Index Terms—Qubits, Superposición de Estados, Decoherencia.            Existen dos algoritmos que permiten a los computadores
                                                                      cuánticos manipular sistemas criptográficos que se encuentran
                                                                      en una amplia área de investigación. El algoritmo de Shor y
                                                                      de Grover. El algoritmo de Shor permite factorizar grandes
                       I. I NTRODUCCIÓN                               números en tiempo polinómico mientras que el algoritmo
                                                                      Grover permite buscar en una base de datos desorganizada
   Durante toda la existencia del ser humano a buscado crear          con una velocidad cuadrática [15].
herramientas que fasiliten distintas actividades que se realizan
a diario mas en las ultimas decadas con el avance tecnologico
que dia a dia nos sigue sorprendiendo.                                               III. C OMPUTACIÓN CUÁNTICA
   La computadora para llegar hasta donde se encuentra en                La comunidad científica dedicada a investigar tópicos en
este instantea tenido que pasar por muchas etapas evolutivas y        el ámbito de la computación cuántica, ha logrado enormes
desarrollo partiendo desde la ENIAC la primera computadora            avances teóricos, al demostrar que es posible reducir drásti-
hasta las mas actuales con prosesadores i7 y muchas capaci-           camente los recursos computacionales requeridos en la eje-
dades que eran consideradas como sueños o ciencia ficcion              cución de algoritmos. Algunos de esos algoritmos requieren
como por ejemplo las computadoras 3D con resolucion HD                un inmenso poder de cómputo aún en las computadoras más
que pueden ser muy delgadas y versatiles.                             avanzadas de la
   Las computadoras con el pasar del tiempo transcienden a               actualidad. Algunos algoritmos matemáticos como la
un estado diferente un mundo miniaturizado, proyectándose             búsqueda de los factores de números primos, algoritmos
a rincones donde no se rigen por la física clásica. Estos             de manejo de información como la búsqueda en bases de
equipos con el avance tegnologico estan compuestos de mas             datos no ordenadas; han sido teóricamente desarrollados con
transistores pero cada ves ocupan menos espacio llegando a            mucho éxito, utilizando los fundamentos de la computación
ser reguidos por la fisica cuantica.                                   cuántica[7].
2



   La teoría de la computación cuántica esta basada en las         lógicos: sí ó no, 1 ó 0. Por ejemplo, en los computadores
interacciones del mundo atómico y en futuras implementa-           digitales, estaría representado por el valor del voltaje que
ciones de las computadoras cuánticas. Estas aún están en           adquieren las placas de un condensador. Así, 1 sería un valor
los laboratorios de investigación pero ya se tienen resultados     de "a " volts, y 0 un valor de "b" volts. Pero un bit puede
alentadores, como el desarrollo de la computadora cuántica de      también ser representado por dos diferentes polarizaciones de
cinco qubits desarrollado por Steffen et al[18] .                  la luz, o por dos estados electrónicos de un átomo. Ahora
                                                                   la mecánica cuántica nos dice que si un bit puede estar en
IV. A SPECTOS DE LA MECÁNICA CUÁNTICA RELEVANTES                   cualquiera dos estados distinguibles, también puede estar en
                   PARA LA COMPUTACIÓN                             cualquier superposición coherente de ellos, y claro, estos son
                                                                   más estados, que no tienen análogos clásicos, y en los cuales
A. La cuantización
                                                                   un átomo representa ambos valores 0 y 1 simultáneamente (y
   Significa que los valores que toman cantidades físicas           este comportamiento es propio de los sistemas atómicos). Es
no varían de manera continua, sino que lo hacen de un              a esta representación, que puede tomar los dos valores 0 ó 1
tamaño predeterminado a los que se conoce como cuantos.            en proporciones arbitrarias, pero simultáneamente, a lo que se
Así, cualquier sistema con dos (o más) estados parecerá            llama cubit ó unidad de información cuántica[2].
diseñado para representar 0’s y 1’s, esto es, para representar
información. Esta característica es la que hace posible a la
computación, tanto la cuántica como la clásica, ya que, sino
fuera por ella, los semiconductores y los circuitos integrados
no funcionarían. Aquí hay casi una contradicción: las com-          VI. A RQUITECTURA DE UNA COMPUTADORA CUÁNTICA
putadoras actuales (a las que llamaremos clásicas o binarias)
requieren de fenómenos cuánticos que hagan funcionar sus
circuitos integrados para realizar los cálculos clásicamente[2]
                                                                      Oskin et al[8] propone una arquitectura de una computa-
                                                                   dora quántica que esta conformada por una ALU cuántica,
B. La superposición de estados cuánticos.                          memoria cuántica, y un planificador dinámico, tal como puede
   Esto quiere decir que todo estado cuántico se puede de-         observarse 1 La corrección de errores es un aspecto que debe
scribir como una suma o superposición de otros; también            ser tomado muy en cuenta en el diseño de una arquitectura
significa que dados un cierto número de estados, una suma           cuántica
cualquiera de ellos es otro estado admisible. Ésta y la cercana-
mente propiedad siguiente son las que hacen a las computa-
doras cuánticas muchísimo más poderosas que las clásicas[2].

C. La interferencia entre estados cuánticos.                       A. ALU cuántica
   Significa que todo resultado de un proceso cuántico depende
de todas las posibles historias que pudieran producir el pro-         La ALU cuántica tiene como funciones fundamentales la
ceso. Cuando un estado se forma sumando otros, es seguro           ejecución de operaciones cuánticas y la corrección de er-
que ocurra interferencia entre éstos. El fenómeno puede usarse     rores. La ALU prepara los datos cuánticos, antes de ejecutar
para aumentar o disminuir el efecto desde una propiedad            cualquier compuerta lógica, aplicando una secuencia de trans-
preseleccionada. Esta propiedad y la anterior son las que hacen    formaciones cuánticas básicas, que incluyen:
a las computadoras cuánticas muchísimo más poderosas que
las clásicas[2].                                                     • Hadamard (raiz cuadrada, transformada de Fourier de 1
                                                                   qubit),

D. El enredamiento.                                                  • I, Identidad (I, NOP cuántico), • X, NOT cuántico,
   Quiere decir que dos sistemas pueden contener información         • Z, cambia los signos de las amplitudes),
en común simplemente por haber interactuado en el pasado y a         • Y = XZ,
pesar de que ya no lo hagan más. Sin embargo la información          • rotación por p/4 (S),
en común no es accesible localmente a ninguno de los sistemas
por separado. Esta propiedad es la que hace posible a la             • rotación por p/8 (T), y
criptografía cuántica[2].                                            • NOT controlado (CNOT).
                                                                      La ALU aplica esta secuencia de operaciones elementales
               V. D E LOS BITS A LOS CUBITS                        para la corrección de errores, indispensable en la computación
   Sabemos que la información se representa en piezas disc-        cuántica. Este procedimiento consume estados auxiliares adi-
retas, al igual que los niveles energéticos de los átomos. La      cionales, para la verificación de paridad. La ALU hace uso
unidad básica de información es el bit. Desde un punto de          de hardware especializado estándar, que provee estados el-
vista físico, un bit es un sistema con dos estados, pudiendo ser   ementales estándares, para producir los estados auxiliares
separado en uno de estos estados, que representan dos valores      adicionales[16].
3



                                                                                          VII. D ESAFÍOS
                                                                      No hay certeza si será posible obtener una computadora
                                                                   cuantica funcional ni, en caso de conseguirlo, cuando ocurrirá.
                                                                   Mientras los investigadores trabajan para solucionar diferentes
                                                                   problemas. El medio físico: las computadoras clásicas utilizan
                                                                   transmisores, capacitadotes y dispositivos ópticos para alma-
                                                                   cenarlos bits de información. Pero como almacenar los qubits.
                                                                   Lo que se usa es el punto cuántico (un electrón atrapado en una
                                                                   jaula de átomos), diversos iones, átomos de cesio y algunas
Figure 2.   Tele transportadora de código                          moléculas liquidas. Las interferencias: en teoría el número de
                                                                   qubits que puede tener una computadora es infinito, pero en la
                                                                   práctica, unos pocos qubits trabajando juntos empiezan a sufrir
                                                                   interferencias (radiaciones, rayos cósmicos, etc.) Los errores:
                                                                   los bits son categóricos. Un bit puede ser un “uno” o un “cero”.
                                                                   Pero los qubits trabajan por probabilidades. Si el valor de un
                                                                   qubits es del 50% o muy cercano se producirán errores que al
                                                                   acumularse podrían hacer poco fiables los resultados.[1]

                                                                                       VIII. A PLICACIONES
                                                                   A. Cálculos en paralelo:
                                                                      Una de las mayores destrezas de las computadoras cuanticas
                                                                   será su capacidad para hacer cantidades astronómicas de
                                                                   cálculos en un único circuito[13].

Figure 1.   FIGURA 1[16]
                                                                   B. Seguridad:
B. Memoria cuántica                                                   La capacidad para encriptar datos de la computadora cuan-
                                                                   tica dejará obsoletos a los sistemas actuales.[13]
   Al igual que en las arquitecturas actuales en la arquitectura
cuántica, la memoria cuántica es un elemento arquitectural
muy importante. La memoria cuántica debe ser confiable,             C. Teleportacion:
con el propósito de dotarla de tal característica Oskin et            No confundirse con la tele transportación de la ciencia
al [16] incluyen una unidad especializada de “actualización”       ficción. No hay trasporte de materia sino de energía. La
en cada banco de memoria, cuya representación pictórica se         computadora cuántica podrá trasmitir el estado de un átomo a
puede apreciar en la 1. Una unidad especializada actualiza         distancia.[13]
periódicamente los qubits lógicos individuales, ejecutando
algoritmos de detección y corrección de errores.                   D. Búsquedas:

C. Tele transportadora de código                                     Reducirá muchísimo el tiempo en que se realizan las
                                                                   búsquedas.[13]
   La tele transportadora de có[16]digo desde la memoria
cuántica a la ALU, añade alguna funcionalidad adicional a
                                                                   E. Comprobación de teoremas
la tele transportación cuántica convencional, proveyendo un
mecanismo general para simultáneamente ejecutar operaciones          Algunos teoremas matemáticos son incomprobables por la
mientras transporta los datos cuánticos.                           cantidad de cálculos que requieren. La computadora cuantica
   Este mecanismo se usa para la corrección de errores en          podría resolverlos.[13]
el codificador de código origen y en el codificador de código
destino, como puede observarse en la 2. El emisor y el receptor    IX. C IENTÍFICOS CONSTRUYEN COMPUTADORA CUÁNTICA
entonces ejecutan qubits lógicos equivalentes en la operación                      AL INTERIOR DE UN DIAMANTE
de tele transportación en cada terminal del par “enredado”            Los diamantes poseen propiedades físicas que, por fortuna,
(entangled)[16].                                                   los vuelven apropiados no solo para sortijas de compromiso
                                                                   matrimonial, y así lo demuestra un desarrollo reciente real-
D. Planificador dinámico                                            izado por un grupo multinacional de científicos, quienes han
   Oskin et al proponen un procesador clásico de alto de-          construido una computadora cuántica al interior de una de
sempeño como parte principal del planificador dinámico. Este        estas piedras preciosas.
procesador ejecuta un algoritmo de planificación dinámico              El equipo dio a conocer la viabilidad de computadoras
que toma operaciones cuánticas lógicas, intercaladas con con-      cuánticas en estado sólido, las cuales, a diferencias de los
strucciones clásicas de control de flujo, y dinámicamente las       primeros sistemas en estado gaseoso y líquido, podrían repre-
traduce en operaciones individuales de qubits físicos.             sentar el futuro de la computación cuántica porque se puede
4



aumentar su tamaño con mayor facilidad. Y si bien de mo-                        dejando de lado a las computadoras grandes y con pocas
mento estos dispositivos no pueden competir en velocidad con                    funciones y un no tan bueno rendimiento por conputadoras
las computadoras tradicionales, quizá con estos acercamientos                   pequeñas versatiles muy rapidas al momento de ejecutar
pueda conseguirse finalmente una máquina que combine las                         operaciones
dimensiones reducidas con una gran capacidad.                                      El avance tegnologico cada ves nos va hacercando o intro-
                                                                                duciendo en un mundo miñaturizado donde la fisica clasica
                                                                                pierde la capacidad de analisis y entra en regimen la fisica
                                                                                cuantica.
                                                                                   la computacion cuantica es un tema exelente de inves-
                                                                                tigacion y desarrollo para fisicos matematicos electricos y
                                                                                electronicos ya que esta en sus inicios y hay mucho por
                                                                                descubrir y desarrollar

                                                                                                   XI. AGRADECIMIENTOS
                                                                                   El agradecimiento esta dirigido hacia el Ing. Rene Avila,
                                                                                docente de la Universidad Politécnica Salesiana y profesor
                                                                                de la cátedra de Electrónica Analógica 2, a la misma que le
                                                                                corresponde como trabajo este documento, el agradecimiento
                                                                                se debe a que el tema que se trato en este documento ha sido
                                                                                de gran interés por su importancia y por la relación que tiene
                                                                                con la carrera que estudiamos, es importante que se fomente la
                                                                                investigación de temas como estos por parte de los docentes.

                                                                                                             R EFERENCES
                                                                                 [1] computadora cuantica. 2011.
                                                                                 [2] R. A. Alberto, H. N. A. Lopez, and R. V. J. Melara. Investigación de la
                                                                                     consecuencia del desarrollo de la computación cuántica en los sistemas
Figure 3. Equipo multinacional de científicos consigue construir una com-             que utilizan criptografia asimétrica en el salvador. PhD thesis, 2003.
putadora cuántica al interior de un diamante, dando una primera demostración     [3] A. Barenco, D. Deutsch, A. Ekert, and R. Jozsa. Conditional quantum
del enorme potencial de cálculo que en tan reducido tamaño pueden tener estos        dynamics and logic gates. Phys. Rev. Lett., 74(20):4083 – 4086, 1995.
dispositivos                                                                     [4] P. Benioff. Comment on" Dissipation in Computation". Phys. Rev. Lett.,
                                                                                     53(12):1203 – 1203, 1984.
                                                                                 [5] P. Benioff. Quantum Mechanical Hamiltonian Models of Computersa.
   Por el momento los científicos de la Universidad del Sur                           Ann. N.Y. Acad. Sci., 480(1):475 – 486, 1986.
de California, la Universidad de Tecnología de Delft (Países                     [6] C. H. Bennett, G. Brassard, C. Crépeau, R. Jozsa, A. Peres, and W. K.
                                                                                     Wootters. Teleporting an unknown quantum state via dual classical and
Bajos), la Universidad de Iowa y la de California en Santa                           Einstein-Podolsky-Rosen channels. Phys. Rev. Lett., 70(13):1895, 1993.
Bárbara, han construido esta computadora diamantina que se                       [7] H. Caituiro-Monge and H. Caituiro. Arquitectura cuántica.
compone de dos bits cuánticos (llamados “qubits”) hechos de                      [8] H. Caituiro-Monge and H. Caituiro. Arquitectura cuántica, 2002.
                                                                                 [9] L. M. Díaz. Computación cuántica.
partículas subatómicas, los cuales, a diferencia de los bits                    [10] R. P. Feynman. Simulating physics with computers. International
binarios tradicionales que codifican únicamente el valor 0                            journal of theoretical physics, 21(6):467 – 488, 1982.
o el valor 1, admiten ambos valores simultáneamente, una                        [11] R. P. Feynman. Quantum mechanical computers. Foundations of physics,
                                                                                     16(6):507 – 531, 1986.
capacidad del estado cuántico conocida como “superposición”                     [12] L. K. Grover. Quantum mechanics helps in searching for a needle in a
que se espera sea la base para convertir a las computadoras                          haystack. Phys. Rev. Lett., 79(2):325 – 328, 1997.
cuánticas en los dispositivos más veloces de cálculo.                           [13] IBM. ibm-y-sus-avances-en-la-computacion-cuantica. 2012.
                                                                                [14] A. Narayanan. Quantum computing for beginners. In Evolutionary
   En cuanto a la elección del material, los diamantes, esta                         Computation, 1999. CEC 99. Proceedings of the 1999 Congress on,
obedeció a que su estructura molecular previene contra la                            volume 3. IEEE, 1999.
“decoherencia”, una especie de “ruido” atómico que genera                       [15] M. A. Nielsen, I. Chuang, and L. K. Grover. Quantum computation and
                                                                                     quantum information. American Journal of Physics, 70:558, 2002.
retraso temporal en los cálculos realizados por los electrones.                 [16] M. Oskin, F. T. Chong, and I. L. Chuang. A practical architecture for
   Los cálculos detrás de esta innovación computacional son                          reliable quantum computers. Computer, 35(1):79 – 87, 2002.
un tanto complejos, pero se puede decir que el gran atractivo                   [17] P. W. Shor. Polynomial-time algorithms for prime factorization and
                                                                                     discrete logarithms on a quantum computer. SIAM review, pages 303 –
de las computadoras cuánticas es que ante un escenario en el                         332, 1999.
que un evento éxito se divide en varias probabilidades, llegará                 [18] M. Steffen, M. K. Lieven, I. L. Chuang, et al. Toward quantum
a este siempre en el primer intento.                                                 computation: A five-qubit quantum processor. Micro, IEEE, 21(2):24
                                                                                     – 34, 2001.
   Se trata, en suma, de una primera demostración que augura                    [19] T. van der Sar, Z. H. Wang, M. S. Blok, H. Bernien, T. H. Taminiau,
ya la enorme capacidad de estos dispositivos.[19]                                    D. M. Toyli, D. A. Lidar, D. D. Awschalom, R. Hanson, and V. V.
                                                                                     Dobrovitski. Decoherence-protected quantum gates for a hybrid solid-
                                                                                     state spin register. 2012.
                         X. C ONCLUSIONES
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Computadoras cuanticas 1

  • 1. 1 Estado del Arte de la Computación Cuántica Libio Israel Calle Franco lcalle@est.ups.edu.ec Abstract—From incicio computer in the 1950s were large II. O RIGEN equipment occupying large areas and they had many limitations currently computed much smaller and versatile, since 2000 have La idea del computador cuántico se remonta en las décadas raised new hypotheses to improve the functioning of quantum de 1970 y 1980 cuando Richard Feynman [10] del Califor- computer algorithms from the qubits, composition and behavior. nia Institute of tecnology, Paul Benioff[4], [5] de Argonne The quantum computation exploits the characteristics of the Nacional Laboratory, David Deutsche [3] de la universidad particles provided by quantum mechanics, especially the super- position and entanglement, to perform calculations and processes de Oxford y Charles Bennett [6], del T.J. watson Researh with certain advantages over traditional systems[9] . Center de IBM proponen el concepto de computación cuántica. At present it has improved several aspects of the quantum Richard Feyman [11] muestra como un sistema cuántico study where there are new challenges such as cryptography, puede ser utilzado para mejorar el rendimiento computacional decoherence, superposition of states among others that are critical y este actuar como un simulador para procesos cuánticos for achieving this computer. probabilísticos de gran peso donde las simulaciones no son Index Terms—Qubits, States Over lapping, Decoherence. eficientes para el almacenamiento probabilístico convencional. Abstract—Desde el incicio de la computadora por los años 1950 Esta idea parecía irrealizable hasta que en 1994 Peter Shor que eran equipos de gran tamaño que ocupaban grandes espacios [17] de AT&T Research propuso el primer algoritmo cuántico y que tenian muchas limitaciones hasta las computados de la específicamente diseñado para factorizar grandes números. actualidad mucho mas pequeñas y versatiles, desde el año 2000 se han planteado nuevas hipotesis para mejorar el funcionamiento Este algoritmo es caracterizado por: del computador cuántico desde la algoritmia hasta los qubits su • Utilizar métodos de computación cuántica que envuelven composición y comportamiento. principios de la mecánica cuántica, como el comportamiento La Computación Cuántica aprovecha las características de de las ondas, interferencia y coherencia. las partículas previstas por la mecánica cuántica, especialmente • Utilizar algoritmos clásicos para verificar que la solución la superposición y el enmarañamiento, para ejecutar procesos y realizar cálculos con ciertas ventajas respecto a los sistemas candidata generada por los algoritmos cuánticos sea correcta. tradicionales[9]. El éxito de éste algoritmo impulsó la búsqueda de un En la actualidad se a mejorado varios aspectos en el estudio computador cuántico y en 1998 Chuang [14] demostró la cuántico donde se encuentran nuevos retos como la criptografía, primera computadora cuántica de un qubit, y ya en 1999 decoherencia, superposición de estados entre otros que son de Grover [12]propone un algoritmo para hacer búsquedas en suma importancia para el alcance de este ordenador. base de datos utilizando 3 qubits. Index Terms—Qubits, Superposición de Estados, Decoherencia. Existen dos algoritmos que permiten a los computadores cuánticos manipular sistemas criptográficos que se encuentran en una amplia área de investigación. El algoritmo de Shor y de Grover. El algoritmo de Shor permite factorizar grandes I. I NTRODUCCIÓN números en tiempo polinómico mientras que el algoritmo Grover permite buscar en una base de datos desorganizada Durante toda la existencia del ser humano a buscado crear con una velocidad cuadrática [15]. herramientas que fasiliten distintas actividades que se realizan a diario mas en las ultimas decadas con el avance tecnologico que dia a dia nos sigue sorprendiendo. III. C OMPUTACIÓN CUÁNTICA La computadora para llegar hasta donde se encuentra en La comunidad científica dedicada a investigar tópicos en este instantea tenido que pasar por muchas etapas evolutivas y el ámbito de la computación cuántica, ha logrado enormes desarrollo partiendo desde la ENIAC la primera computadora avances teóricos, al demostrar que es posible reducir drásti- hasta las mas actuales con prosesadores i7 y muchas capaci- camente los recursos computacionales requeridos en la eje- dades que eran consideradas como sueños o ciencia ficcion cución de algoritmos. Algunos de esos algoritmos requieren como por ejemplo las computadoras 3D con resolucion HD un inmenso poder de cómputo aún en las computadoras más que pueden ser muy delgadas y versatiles. avanzadas de la Las computadoras con el pasar del tiempo transcienden a actualidad. Algunos algoritmos matemáticos como la un estado diferente un mundo miniaturizado, proyectándose búsqueda de los factores de números primos, algoritmos a rincones donde no se rigen por la física clásica. Estos de manejo de información como la búsqueda en bases de equipos con el avance tegnologico estan compuestos de mas datos no ordenadas; han sido teóricamente desarrollados con transistores pero cada ves ocupan menos espacio llegando a mucho éxito, utilizando los fundamentos de la computación ser reguidos por la fisica cuantica. cuántica[7].
  • 2. 2 La teoría de la computación cuántica esta basada en las lógicos: sí ó no, 1 ó 0. Por ejemplo, en los computadores interacciones del mundo atómico y en futuras implementa- digitales, estaría representado por el valor del voltaje que ciones de las computadoras cuánticas. Estas aún están en adquieren las placas de un condensador. Así, 1 sería un valor los laboratorios de investigación pero ya se tienen resultados de "a " volts, y 0 un valor de "b" volts. Pero un bit puede alentadores, como el desarrollo de la computadora cuántica de también ser representado por dos diferentes polarizaciones de cinco qubits desarrollado por Steffen et al[18] . la luz, o por dos estados electrónicos de un átomo. Ahora la mecánica cuántica nos dice que si un bit puede estar en IV. A SPECTOS DE LA MECÁNICA CUÁNTICA RELEVANTES cualquiera dos estados distinguibles, también puede estar en PARA LA COMPUTACIÓN cualquier superposición coherente de ellos, y claro, estos son más estados, que no tienen análogos clásicos, y en los cuales A. La cuantización un átomo representa ambos valores 0 y 1 simultáneamente (y Significa que los valores que toman cantidades físicas este comportamiento es propio de los sistemas atómicos). Es no varían de manera continua, sino que lo hacen de un a esta representación, que puede tomar los dos valores 0 ó 1 tamaño predeterminado a los que se conoce como cuantos. en proporciones arbitrarias, pero simultáneamente, a lo que se Así, cualquier sistema con dos (o más) estados parecerá llama cubit ó unidad de información cuántica[2]. diseñado para representar 0’s y 1’s, esto es, para representar información. Esta característica es la que hace posible a la computación, tanto la cuántica como la clásica, ya que, sino fuera por ella, los semiconductores y los circuitos integrados no funcionarían. Aquí hay casi una contradicción: las com- VI. A RQUITECTURA DE UNA COMPUTADORA CUÁNTICA putadoras actuales (a las que llamaremos clásicas o binarias) requieren de fenómenos cuánticos que hagan funcionar sus circuitos integrados para realizar los cálculos clásicamente[2] Oskin et al[8] propone una arquitectura de una computa- dora quántica que esta conformada por una ALU cuántica, B. La superposición de estados cuánticos. memoria cuántica, y un planificador dinámico, tal como puede Esto quiere decir que todo estado cuántico se puede de- observarse 1 La corrección de errores es un aspecto que debe scribir como una suma o superposición de otros; también ser tomado muy en cuenta en el diseño de una arquitectura significa que dados un cierto número de estados, una suma cuántica cualquiera de ellos es otro estado admisible. Ésta y la cercana- mente propiedad siguiente son las que hacen a las computa- doras cuánticas muchísimo más poderosas que las clásicas[2]. C. La interferencia entre estados cuánticos. A. ALU cuántica Significa que todo resultado de un proceso cuántico depende de todas las posibles historias que pudieran producir el pro- La ALU cuántica tiene como funciones fundamentales la ceso. Cuando un estado se forma sumando otros, es seguro ejecución de operaciones cuánticas y la corrección de er- que ocurra interferencia entre éstos. El fenómeno puede usarse rores. La ALU prepara los datos cuánticos, antes de ejecutar para aumentar o disminuir el efecto desde una propiedad cualquier compuerta lógica, aplicando una secuencia de trans- preseleccionada. Esta propiedad y la anterior son las que hacen formaciones cuánticas básicas, que incluyen: a las computadoras cuánticas muchísimo más poderosas que las clásicas[2]. • Hadamard (raiz cuadrada, transformada de Fourier de 1 qubit), D. El enredamiento. • I, Identidad (I, NOP cuántico), • X, NOT cuántico, Quiere decir que dos sistemas pueden contener información • Z, cambia los signos de las amplitudes), en común simplemente por haber interactuado en el pasado y a • Y = XZ, pesar de que ya no lo hagan más. Sin embargo la información • rotación por p/4 (S), en común no es accesible localmente a ninguno de los sistemas por separado. Esta propiedad es la que hace posible a la • rotación por p/8 (T), y criptografía cuántica[2]. • NOT controlado (CNOT). La ALU aplica esta secuencia de operaciones elementales V. D E LOS BITS A LOS CUBITS para la corrección de errores, indispensable en la computación Sabemos que la información se representa en piezas disc- cuántica. Este procedimiento consume estados auxiliares adi- retas, al igual que los niveles energéticos de los átomos. La cionales, para la verificación de paridad. La ALU hace uso unidad básica de información es el bit. Desde un punto de de hardware especializado estándar, que provee estados el- vista físico, un bit es un sistema con dos estados, pudiendo ser ementales estándares, para producir los estados auxiliares separado en uno de estos estados, que representan dos valores adicionales[16].
  • 3. 3 VII. D ESAFÍOS No hay certeza si será posible obtener una computadora cuantica funcional ni, en caso de conseguirlo, cuando ocurrirá. Mientras los investigadores trabajan para solucionar diferentes problemas. El medio físico: las computadoras clásicas utilizan transmisores, capacitadotes y dispositivos ópticos para alma- cenarlos bits de información. Pero como almacenar los qubits. Lo que se usa es el punto cuántico (un electrón atrapado en una jaula de átomos), diversos iones, átomos de cesio y algunas Figure 2. Tele transportadora de código moléculas liquidas. Las interferencias: en teoría el número de qubits que puede tener una computadora es infinito, pero en la práctica, unos pocos qubits trabajando juntos empiezan a sufrir interferencias (radiaciones, rayos cósmicos, etc.) Los errores: los bits son categóricos. Un bit puede ser un “uno” o un “cero”. Pero los qubits trabajan por probabilidades. Si el valor de un qubits es del 50% o muy cercano se producirán errores que al acumularse podrían hacer poco fiables los resultados.[1] VIII. A PLICACIONES A. Cálculos en paralelo: Una de las mayores destrezas de las computadoras cuanticas será su capacidad para hacer cantidades astronómicas de cálculos en un único circuito[13]. Figure 1. FIGURA 1[16] B. Seguridad: B. Memoria cuántica La capacidad para encriptar datos de la computadora cuan- tica dejará obsoletos a los sistemas actuales.[13] Al igual que en las arquitecturas actuales en la arquitectura cuántica, la memoria cuántica es un elemento arquitectural muy importante. La memoria cuántica debe ser confiable, C. Teleportacion: con el propósito de dotarla de tal característica Oskin et No confundirse con la tele transportación de la ciencia al [16] incluyen una unidad especializada de “actualización” ficción. No hay trasporte de materia sino de energía. La en cada banco de memoria, cuya representación pictórica se computadora cuántica podrá trasmitir el estado de un átomo a puede apreciar en la 1. Una unidad especializada actualiza distancia.[13] periódicamente los qubits lógicos individuales, ejecutando algoritmos de detección y corrección de errores. D. Búsquedas: C. Tele transportadora de código Reducirá muchísimo el tiempo en que se realizan las búsquedas.[13] La tele transportadora de có[16]digo desde la memoria cuántica a la ALU, añade alguna funcionalidad adicional a E. Comprobación de teoremas la tele transportación cuántica convencional, proveyendo un mecanismo general para simultáneamente ejecutar operaciones Algunos teoremas matemáticos son incomprobables por la mientras transporta los datos cuánticos. cantidad de cálculos que requieren. La computadora cuantica Este mecanismo se usa para la corrección de errores en podría resolverlos.[13] el codificador de código origen y en el codificador de código destino, como puede observarse en la 2. El emisor y el receptor IX. C IENTÍFICOS CONSTRUYEN COMPUTADORA CUÁNTICA entonces ejecutan qubits lógicos equivalentes en la operación AL INTERIOR DE UN DIAMANTE de tele transportación en cada terminal del par “enredado” Los diamantes poseen propiedades físicas que, por fortuna, (entangled)[16]. los vuelven apropiados no solo para sortijas de compromiso matrimonial, y así lo demuestra un desarrollo reciente real- D. Planificador dinámico izado por un grupo multinacional de científicos, quienes han Oskin et al proponen un procesador clásico de alto de- construido una computadora cuántica al interior de una de sempeño como parte principal del planificador dinámico. Este estas piedras preciosas. procesador ejecuta un algoritmo de planificación dinámico El equipo dio a conocer la viabilidad de computadoras que toma operaciones cuánticas lógicas, intercaladas con con- cuánticas en estado sólido, las cuales, a diferencias de los strucciones clásicas de control de flujo, y dinámicamente las primeros sistemas en estado gaseoso y líquido, podrían repre- traduce en operaciones individuales de qubits físicos. sentar el futuro de la computación cuántica porque se puede
  • 4. 4 aumentar su tamaño con mayor facilidad. Y si bien de mo- dejando de lado a las computadoras grandes y con pocas mento estos dispositivos no pueden competir en velocidad con funciones y un no tan bueno rendimiento por conputadoras las computadoras tradicionales, quizá con estos acercamientos pequeñas versatiles muy rapidas al momento de ejecutar pueda conseguirse finalmente una máquina que combine las operaciones dimensiones reducidas con una gran capacidad. El avance tegnologico cada ves nos va hacercando o intro- duciendo en un mundo miñaturizado donde la fisica clasica pierde la capacidad de analisis y entra en regimen la fisica cuantica. la computacion cuantica es un tema exelente de inves- tigacion y desarrollo para fisicos matematicos electricos y electronicos ya que esta en sus inicios y hay mucho por descubrir y desarrollar XI. AGRADECIMIENTOS El agradecimiento esta dirigido hacia el Ing. Rene Avila, docente de la Universidad Politécnica Salesiana y profesor de la cátedra de Electrónica Analógica 2, a la misma que le corresponde como trabajo este documento, el agradecimiento se debe a que el tema que se trato en este documento ha sido de gran interés por su importancia y por la relación que tiene con la carrera que estudiamos, es importante que se fomente la investigación de temas como estos por parte de los docentes. R EFERENCES [1] computadora cuantica. 2011. [2] R. A. Alberto, H. N. A. Lopez, and R. V. J. Melara. Investigación de la consecuencia del desarrollo de la computación cuántica en los sistemas Figure 3. Equipo multinacional de científicos consigue construir una com- que utilizan criptografia asimétrica en el salvador. PhD thesis, 2003. putadora cuántica al interior de un diamante, dando una primera demostración [3] A. Barenco, D. Deutsch, A. Ekert, and R. Jozsa. Conditional quantum del enorme potencial de cálculo que en tan reducido tamaño pueden tener estos dynamics and logic gates. Phys. Rev. Lett., 74(20):4083 – 4086, 1995. dispositivos [4] P. Benioff. Comment on" Dissipation in Computation". Phys. Rev. Lett., 53(12):1203 – 1203, 1984. [5] P. Benioff. Quantum Mechanical Hamiltonian Models of Computersa. Por el momento los científicos de la Universidad del Sur Ann. N.Y. Acad. Sci., 480(1):475 – 486, 1986. de California, la Universidad de Tecnología de Delft (Países [6] C. H. Bennett, G. Brassard, C. Crépeau, R. Jozsa, A. Peres, and W. K. Wootters. Teleporting an unknown quantum state via dual classical and Bajos), la Universidad de Iowa y la de California en Santa Einstein-Podolsky-Rosen channels. Phys. Rev. Lett., 70(13):1895, 1993. Bárbara, han construido esta computadora diamantina que se [7] H. Caituiro-Monge and H. Caituiro. Arquitectura cuántica. compone de dos bits cuánticos (llamados “qubits”) hechos de [8] H. Caituiro-Monge and H. Caituiro. Arquitectura cuántica, 2002. [9] L. M. Díaz. Computación cuántica. partículas subatómicas, los cuales, a diferencia de los bits [10] R. P. Feynman. Simulating physics with computers. International binarios tradicionales que codifican únicamente el valor 0 journal of theoretical physics, 21(6):467 – 488, 1982. o el valor 1, admiten ambos valores simultáneamente, una [11] R. P. Feynman. Quantum mechanical computers. Foundations of physics, 16(6):507 – 531, 1986. capacidad del estado cuántico conocida como “superposición” [12] L. K. Grover. Quantum mechanics helps in searching for a needle in a que se espera sea la base para convertir a las computadoras haystack. Phys. Rev. Lett., 79(2):325 – 328, 1997. cuánticas en los dispositivos más veloces de cálculo. [13] IBM. ibm-y-sus-avances-en-la-computacion-cuantica. 2012. [14] A. Narayanan. Quantum computing for beginners. In Evolutionary En cuanto a la elección del material, los diamantes, esta Computation, 1999. CEC 99. Proceedings of the 1999 Congress on, obedeció a que su estructura molecular previene contra la volume 3. IEEE, 1999. “decoherencia”, una especie de “ruido” atómico que genera [15] M. A. Nielsen, I. Chuang, and L. K. Grover. Quantum computation and quantum information. American Journal of Physics, 70:558, 2002. retraso temporal en los cálculos realizados por los electrones. [16] M. Oskin, F. T. Chong, and I. L. Chuang. A practical architecture for Los cálculos detrás de esta innovación computacional son reliable quantum computers. Computer, 35(1):79 – 87, 2002. un tanto complejos, pero se puede decir que el gran atractivo [17] P. W. Shor. Polynomial-time algorithms for prime factorization and discrete logarithms on a quantum computer. SIAM review, pages 303 – de las computadoras cuánticas es que ante un escenario en el 332, 1999. que un evento éxito se divide en varias probabilidades, llegará [18] M. Steffen, M. K. Lieven, I. L. Chuang, et al. Toward quantum a este siempre en el primer intento. computation: A five-qubit quantum processor. Micro, IEEE, 21(2):24 – 34, 2001. Se trata, en suma, de una primera demostración que augura [19] T. van der Sar, Z. H. Wang, M. S. Blok, H. Bernien, T. H. Taminiau, ya la enorme capacidad de estos dispositivos.[19] D. M. Toyli, D. A. Lidar, D. D. Awschalom, R. Hanson, and V. V. Dobrovitski. Decoherence-protected quantum gates for a hybrid solid- state spin register. 2012. X. C ONCLUSIONES Las computadoras en la actualidad se aproxima cada ves mas a la miñaturizacion de los elementos que la constituyen