junio 17, 2021

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Computadoras cuánticas y experimentos cuánticos dominantes

Los científicos se preguntan qué se puede hacer con los procesadores cuánticos a pequeña escala. Al final del camino, incluso si no se alcanza el pico imaginado de millones de abandonos, se garantiza que se realizarán importantes contribuciones a los campos de las matemáticas, la física, la informática y la ingeniería de materiales.

DR. MUSTAFA GNDOĞAN

La comunicación y la computación cuánticas han estado en la agenda, especialmente en los últimos años, y los estados y las grandes corporaciones están transfiriendo grandes sumas de dinero a esta área. El objetivo final aquí es crear las computadoras cuánticas más rápidas posibles para resolver algunos problemas que son difíciles o imposibles de lograr con las computadoras convencionales.

Desafortunadamente, esto está muy abierto a la especulación, ya que se basa en reglas interesantes pero incomprensibles como la mecánica cuántica. Es interesante responder a una serie de preguntas: ¿Qué van a hacer exactamente las computadoras cuánticas? ¿Es realmente posible trascenderlo? Si se puede hacer, ¿cuándo llegará a nuestras vidas? En este artículo, simplemente responderemos estas preguntas y hablaremos sobre los últimos experimentos.

Primero, las computadoras cuánticas no están diseñadas para ver películas rápidamente en su hogar o para configurar servidores locales en su organización. Algunos algoritmos especiales que utilizan los principios básicos de la física cuántica, como la superposición y la complejidad, intentan desarrollar problemas específicos. El primero y más importante de ellos fue el algoritmo de factorialización desarrollado en 1994 por el matemático Peter Shore. Los primeros experimentos en esta área comenzaron a principios de la década de 2000 con los números 21 siendo 3 y 7, respectivamente. La importancia de este problema es que la mayoría de los métodos de cifrado actuales se basan en estas funciones: Tener una computadora cuántica que funcione correctamente en sus manos es un problema de seguridad importante para todos los demás. Debido a que las computadoras cuánticas tienen el potencial de descifrar la contraseña, lleva millones de años descomponerse con las computadoras convencionales. Por lo tanto, la computación cuántica es un área de investigación estratégica para muchos países dentro de las fronteras de la seguridad nacional.

Entonces, ¿estos dispositivos se fabrican en el mundo real o sobreviven como elementos realistas de ciencia ficción en la cultura popular? Existen muchas barreras para percibir estos dispositivos en el entorno del laboratorio. El primero de ellos es la desintegración de los estados cuánticos de los átomos o circuitos superconductores, en los que la información cuántica está encriptada con poco contacto ambiental. Esta es la razón por la que la mayoría de los sistemas funcionan a temperaturas muy bajas, incluso al vacío. Otra es que cada quintal que se utilizará en el cálculo (la unidad de información cuántica más pequeña que puede tomar cualquier valor entre 0 y 1, a diferencia del bit que solo puede tomar 0 o 1 en el cálculo clásico) debe controlarse individualmente con la mayor precisión. El procesador cuántico de Google se llamó Sycamore, del que escuchamos mucho en las noticias el año pasado, y por primera vez alcanzó una superioridad cuántica, que contenía 53 salidas superconductoras que se ejecutan a temperaturas extremadamente bajas. Con este dispositivo, Google anunció que una computadora típica podría completar un proceso en 200 segundos, que son 10 mil años. Este proceso, por otro lado, es un proceso que no se hace mucho en el mundo práctico, destacando las posibles combinaciones de circuitos diferentes que componen estos 53 quits. IBM trató de demostrar que el beneficio cuántico demostrado por las supercomputadoras podría lograrse en unos pocos días, no en 10 mil años, ni en demasiado.

Llegados a este punto, podemos hablar de la prueba anunciada por China en las últimas semanas. A diferencia de Google, IBM y algunas otras grandes empresas, la prueba en China utilizó un sistema completamente diferente, un procesador basado en luz, en lugar de cuartos de materia hechos de circuitos nucleares o superconductores. Aquí hay diferentes estados cuánticos codificados como partículas de luz únicas (fotones). La ventaja de este sistema es que estas condiciones codificadas en fotones no se ven muy afectadas por la temperatura o factores ambientales (podría pensar en gafas de sol polarizadas; no cambian la forma en que funcionan en climas cálidos o fríos) y no requieren enfriadores especiales o equipos de vacío. El problema que resuelven aquí es similar al modelo de circuito de Google: ¿cómo se mueven los fotones en la ruta o circuitos específicos que encuentran? En este punto, el número de caminos posibles aumenta exponencialmente dependiendo del número de fotones involucrados en el experimento, que está diseñado para resolver el problema del modelo del bosón de Gauss, una variante del problema del modelo del bosón propuesto en 2011. Entonces este número que es 4 para 2 fotones es 8 para 3, 16 para 4 La cantidad de estados cuánticos que se pueden crear con 50 fotones (y dos estados polares por fotón) en este experimento es de aproximadamente 10 ^ 30 (1 y treinta 0 V, mil veces más que la cantidad de átomos en el cuerpo humano). Estimaron que este cálculo experimental, realizado en unos 200 segundos, llevaría unos 600 millones de años con la supercomputadora más poderosa del mundo.

Los experimentos de beneficios cuánticos de los que hablamos en este artículo en realidad pueden llamarse solo los primeros pasos de un viaje muy largo. Se sabe que la cantidad de abandonos necesarios para “trabajar” problemas como el algoritmo Shore es de millones. Aunque se espera que este número, que actualmente es de 100, aumente a 1000 en los próximos años, es necesario abordar muchas cuestiones científicas y de ingeniería básicas para alcanzar la marca del millón. Cuando los científicos trabajan en este problema, también piensan en lo que se puede hacer con los procesadores cuánticos a pequeña escala. Al final del camino, incluso si no se alcanza el pico imaginado de millones de abandonos, se garantiza que se realizarán importantes contribuciones a los campos de las matemáticas, la física, la informática y la ingeniería de materiales.

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