Indice
1.
Introducción
2. Computadores
Cuánticos
3. Conclusiones
A lo largo del último medio siglo, las computadoras
han ido duplicando su velocidad cada
dos años, al tiempo que el
tamaño de sus componentes se reducía a la mitad.
Los circuitos
actuales contienen transistores y
líneas de conducción cuya anchura es sólo
una centésima parte de la de un cabello humano. Las
máquinas de nuestros días son
millones de veces más potentes que sus rudimentarias
antepasados a causa de tan explosivo progreso.
Figura 1.- Desde el principio hasta el presente: A la
izquierda una máquina de engranajes, a la derecha un chip
de la IBM de 0.25 micras. La versión producida por la IBM
contiene 6 millones de transistores.
El incremento del poder de las
computadoras
se debe esencialmente a la miniaturización incesante del
componente más elemental de la
computadora, el transistor.
Cuando los transistores se reducen de tamaño y se logran
integrar en un solo microchip se incrementa el poder
computacional. Sin embargo, las técnicas
de integración de microcircuitos están
empezando a tropezar con sus límites.
Mediante técnicas
litográficas avanzadas podrían producirse elementos
cien veces menores que los hoy disponibles. Pero a tal escala, en la que
la materia se
presenta como una muchedumbre de átomos disgregados, los
circuitos
integrados apenas consiguen funcionar. Al reducir la escala diez veces
más, los átomos manifiestan ya su identidad
individual, y basta un solo defecto para provocar una
catástrofe. Por consiguiente, si se pretende que las
computadoras del futuro reduzcan su tamaño, será
preciso que la técnica de uso se reemplacé o
complemente con otras nuevas.
La ciencia de la
computación en busca de una alternativa
más allá de la tecnología del
transistor, ha
iniciado el estudio de la mecánica cuántica y su aporte para
la creación de nuevas computadoras. Es así como han
surgido las disciplinas: Nano-Computación y Computación
Mecánico-Cuántica.
Figura2.- La transición de microtecnología
a nanotencología. Según la física
clásica, no hay manera de que los electrones puedan llegar
desde el "Source" al "Drain" debido a las dos barreras que se
encuentran al lado del "Island" pero la estructura es
tan pequeña que los efectos de la cuántica ocurren,
y los electrones pueden bajo ciertas circunstancias romper la
barrera del túnel.
Como se muestra en la
Figura2, hay formas de rediseñar los transistores para que
trabajen usando efectos cuánticos. Pero podría ser
mejor dejar la idea de transistores y usar una nueva arquitectura
completamente nueva que sea más adecuada al utilizar los
principios de
la mecánica cuántica. En la Figura 3,
se presenta una idea de esta arquitectura.
Figura 3.- Una alternativa es utilizar nuevos tipos de
transistores. La Figura muestra como un
circuito particular llamado "semi-sumador" pude crearse de un
modelo
compuesto de dos tipos de células.
Las nano-computadoras tendrán componentes cuyo
funcionamiento se rigen por los principios de la
mecánica cuántica, pero los algoritmos que
ellas ejecuten probablemente no involucren un comportamiento
cuántico; mientras que las computadoras cuánticas
buscan una posibilidad más excitante, usar la
mecánica cuántica en un nuevo tipo de algoritmo que
sería fundamentalmente más poderoso que cualquier
otro esquema clásico. Una computadora
que puede ejecutar computadora
que pueda ejecutar este tipo de algoritmo
será una verdadera computadora cuántica.
Un Computador
Cuántico es un nuevo dispositivo fantástico que
puede resolver ciertos problemas
importantes muy eficazmente. Un computador
cuántico proporciona paralelismo masivo aprovechando la
naturaleza
exponencial de la mecánica cuántica. Un computador
cuántico puede almacenar una cantidad exponencial de
datos, y
realizar un número exponencial de operaciones
usando recursos
polinomiales. Este paralelismo cuántico no es fácil
de aprovechar. Sin embargo, unos algoritmos
cuánticos descubiertos en 1993 (Algoritmo de Shor) han
creado un interés en
el potencial de las computadoras cuánticas.
La construcción de un computador
cuántico funcional a opuesto una resistencia
diabólica. El problema estriba en que cualquier
interacción que un sistema
cuántico tenga con su entorno, piénsese en el
choque de un átomo
contra otro o contra un fotón errante, constituye una
medición. La superposición de
estados mecánicos cuánticos se resuelve en un solo
estado bien
definido; y éste es el que el observador detecta. Dicho
fenómeno de descoherencia, así se llama,
imposibilita cualquier cálculo
cuántico. Al objeto de mantener, pues, la coherencia, las
operaciones
internas de un computador cuántico deben separarse de su
entorno. Más, a la vez, han de ser accesibles para que
puedan cargarse, ejecutarse y leerse los
cálculos.
Pese a todo, no será fácil conseguir un
computador cuántico cuyas proporciones le permitan
competir con los más rápidos de los
clásicos. Pero el reto merece la pena. Los computadores
cuánticos, por modestos que sean, se convertirán en
soberbios laboratorios naturales donde poder estudiar la
mecánica cuántica. Con semejantes dispositivos y la
ejecución de un programa
adecuado, podrán abordarse otros sistemas
cuánticos que revisten interés
fundamental.
Por ironía de las cosas, los computadores
cuánticos podrían ayudar a científicos e
ingenieros en la resolución de los problemas que
se les plantean en la creación de microcircuitos
ínfimos con transistores mínimos; muestran
éstos un comportamiento
mecánico cuántico cuando la reducción de su
tamaño llega al límite de las
posibilidades.
Un computador Cuántico realiza las operaciones en
bits cuánticos, llamados qubits. Un qubit al igual que un
bit clásico puede estar en dos estados, cero o uno. El
qubit se diferencia del bit clásico en que, debido a las
propiedades de la mecánica cuántica, puede estar
simultáneamente en ambos estados. Un qubit que contiene
los valores
cero y uno a la vez se dice que está en
superposición de los estados cero y uno. Este estado de
superposición es persistente hasta que el qubit es
externamente medido. Al medir un qubit, su estado se ve forzado a
tomar un solo valor. Porque
la medición determina el valor del
qubis, los posibles estados que existen deben describirse antes
de realizar la medición en términos de su probabilidad de
ocurrencia.
Figura 4.- La Superposición Coherente de bits
cuánticos (Qubits), permite que un bit posea dos valores (0 y
1) a la vez.
La superposición cuántica, permite que un
registro que
contiene M qubits pueda representar 
valores simultáneos. Al realizar un
cálculo
usando este registro se
producen todos los resultados posibles para los valores de entrada
obteniendo así un paralelismo exponencial. Sin embargo
para leer los resultados de un cálculo los qubits deben
ser medidos. Esta medida forza a que el qubit tome un valor
particular y se destruya el estado
paralelo (descoherencia). El desafío es entonces inventar
cálculos cuánticos donde una propiedad
pueda derivarse del estado paralelo en un tiempo no
exponencial antes de realizar una medida.
Figura 5.- Registro de tres qubits.
Las ocho salidas se obtienen en un mismo instante de tiempo.
En 1993 un grupo de
Investigadores: Chales H. Bennet, de IBM; Gilles Brassard, Claude
Crépeau y Richard Joasza, de la Universidad de
Montreal; Asher Peres, del Instituto de Tecnología de
Israel
(Technion) y William Wootters, del Williams College, descubrieron
que un rasgo particular pero fundamental de la mecánica
cuántica llamado enlazamiento (enredo), podía
utilizarse para superar las limitaciones de la teoría
del quantum aplicada a la construcción de Computadoras
Cuánticas y a la Teletransportación.
Para explicar como funciona este principio supongamos
que tenemos un par de dados. Lanzamos el par de dados al mismo
tiempo y obtenemos dos 3. Los lanzamos por segunda vez y
obtenemos dos 6. A la tercera, obtenemos dos 1. Los resultados
siempre coinciden. Los dados de este ejemplo funcionan como si
fueran partículas cuánticas enlazadas. Cada objeto
es independiente, pero su pareja enlazada logra siempre, de
alguna forma, generar resultados que coinciden perfectamente con
los del primer dado. Este comportamiento se ha estudiado
intensamente con partículas enlazadas reales: pares de
átomos, iones o protones que se enlazan mediante
propiedades como la polarización.
Figura 6.- A la Izquierda dos qubits con enredo y a la
derecha dos qubits sin enredo.
Si cada qubit se toma individualmente, A y B tienen
igual probabilidad de
ser cero o uno para el par con enredo y sin enredo de qubits. En
el par enredado si un qubit es medido el valor el valor del otro
es determinado inmediatamente. Para el par sin enredo el medir un
qubit no afecta las probabilidades del otro qubit. Este enredo
(enlazamiento) que puede existir entre cualquiera o todos los
qubits es la razón para que se necesite un número
exponencial de amplitudes complejas si se desea representar
el estado del
qubit.
Los computadores cuánticos usarán los
estados cuánticos del átomo para
representar la información.
Diseño
y Construcción de Coprocesadores de calculo Complejo.
Retos de la Computación Cuántica:
Controlar los Estados Cuánticos deseados
Mantener superposición de estados
Lectura de los
resultados
Los Computadores Cuánticos poseen una Capacidad de
cálculos Paralelos Naturales y Masivo en espacio y
tiempo.
Los computadores cuánticos, proponen un nuevo enfoque para
encriptación.
Control absoluto
de seguridad a nivel
de comunicación
Las dificultades de la computación cuántica quedan
en las mismas leyes de la
mecánica cuántica que harían que un
computador cuántico sea realizable.
La computación cuántica es un campo rico y poco
explorado en el que aún estamos descubriendo como hacer
las cosas.
Resumen:
Al rebasar cierta escala de miniaturización, el
tamaño de los componentes electrónicos se convierte
en un problema: los conductores atascados y los transistores
apenas funcionan. Por fortuna, nuevos diseños circuitales
ultrapequeños, basados en efectos de la Mecánica
Cuántica, manejan los datos con mayor
fiabilidad.
Por muy pequeños que sean los circuitos que
se logran por las distintas técnicas de
miniaturización dentro de los chips, todavía son
enormes agregados de átomos. Nuevas
tecnologías de Computación (Computación
Cuántica) podrían operar a
escalas menores, posiblemente a nivel molecular e incluso
atómico.
La Computación Cuántica, presenta una alternativa
al problema de la miniaturización, mostrando la manera de
implementar Compuertas Lógico-Cuánticas,
componentes esenciales para el diseño
de una Computadora del Futuro. También proporciona otro
paradigma con
diferentes rasgos mucho más poderosos (
Superposición Coherente – Enlazamiento) que los
establecidos en la Teoría
Computacional Clásica.
Autor:
Lic. Jesús Peña.