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El Poderoso Qubit marzo 10, 2009

Posted by litomd in Computación, Física.
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Mientras los científicos e ingenieros del CERN se afanan en reparar el Large Hadron Collider, con la esperanza de encontrar – entre otras cosas – al elusivo Bosón de Higgs, otros miles de físicos, matemáticos e informáticos buscan con similar afán al no menos escurridizo qubit.
El qubit o quantum binary digit, es el equivalente cuántico del bit, es decir, no se trata de una partícula elemental o de una propiedad física de la materia. Conceptualmente, es una unidad de almacenamiento de información, al igual que el bit, pero con características que lo hacen mucho más poderoso, flexible y conveniente.
Un bit almacena uno de dos valores posibles – usualmente decimos que son 0 o 1 – y el qubit también. En un momento dado el bit sólo puede estar en uno de dos estados, encendido o apagado, en representación de un 0 o un 1, mientras que el qubit, gracias a la superposición cuántica, puede no solo estar en uno de esos dos estados sino en cualquier combinación posible de ellos.
Los expertos en informática, acostumbrados al panorama discreto (de estados plenamente identificables) que presentan los sistemas digitales, pueden sentir la tentación de ver a la superposición como un tercer estado para el qubit (yo mismo quería verlo así al principio) pero esta idea sería incorrecta. Un tercer estado implicaría que al estar en superposición el qubit no puede estar en estado 0 o en 1, ya que los estados son excluyentes, como sucede por ejemplo con ciertos dispositivos electrónicos tri-state.
La superposición implica que el qubit puede de hecho estar en los dos estados simultáneamente, o en cualquiera de sus combinaciones (25% de 0 y 75% de 1 por ejemplo). Es más, un sistema de dos qubits podría estar en los cuatro estados que resultan de combinar el 0 y 1 (00, 01, 10 y 11) y en cualquier combinación posible de esos cuatro estados (00 combinado con 01, combinado con 10, combinado con 11). En general N qubits pueden estar en cualquier combinación de 2N estados.
Los microprocesadores actuales de 32 o 64 bits procesan entradas y salidas de ese tamaño. Un procesador cuántico con 32 qubits de entrada y salida sería capaz de procesar los 232 estados posibles de la entrada y entregar el máximo de 232 salidas diferentes en un solo paso o en una sola computación.
Claro que no sería posible considerar todos los resultados en simultáneo. Pero si el problema es tal que luego de aplicar todo ese poder de cómputo lo que interesa nada más es una de las 232 salidas, por ser la que resuelve el problema, entonces ese problema es adecuado para computación cuántica.
Uno de tales problemas es el de factorizar un número entero sabiendo que es el resultado de multiplicar dos números primos. Si el número es grande la cantidad de ciclos de procesamiento para una computadora clásica (se llama así a las computadoras no cuánticas, creo que es por analogía con la física clásica) sería enorme. Tan grande sería que para algunos números simplemente se considera irrealizable y por ello los números que se forman de multiplicar dos primos grandes son la base de ciertos algoritmos de encriptamiento y seguridad de transmisión de datos, ya que para desencriptar la información se necesita encontrar los dos números primos que factorizan el número entero, y esto, como ya se dijo, se considera irrealizable con las computadoras actuales.
Una computadora cuántica sería capaz de realizar todas las operaciones necesarias en un solo paso, si tiene la cantidad de qubits necesaria. Si tiene menos puede requerirle un poco más de tiempo, pero aun así sería mucho menos tiempo de lo que tomaría en el otro caso.
La búsqueda de la forma ideal de darle vida práctica al qubit y a la computación cuántica se ha mostrado casi tan ardua como la de la comprobación experimental de la existencia del Bosón de Higgs. Entre los numerosos candidatos considerados para implementar el qubit están el electrón ya que su espín tiene dos valores y por superposición puede estar en cualquier combinación de los dos; algunos iones, y técnicas que implican superconductividad o nanotecnología. Ambas búsquedas por tanto, ocurren en el microcosmos que es dominio de la mecánica cuántica.
Hay mucho trabajo por hacer ya que la opinión general es que la computación cuántica está apenas en su infancia.

El Qubit

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Comentarios»

1. emulenews - marzo 11, 2009

El concepto teórico de cubit es de los 1980s y se conocen muchas implementaciones físicas de cubits y registros de cubits. Por ejemplo:

http://francisthemulenews.wordpress.com/2009/03/10/nuevos-cubits-superconductores-tipo-squid-hacia-la-computacion-cuantica-escalable/

También se han fabricado registros de múltiples cubits. Por ejemplo:

http://francisthemulenews.wordpress.com/2009/02/18/el-record-de-factorizacion-de-numeros-utilizando-computadores-cuanticos/

Por supuesto, esto son los primeros pasos y todavía queda mucho por investigar.

2. litomd - marzo 11, 2009

Estimado emulenews (Francis, creo),

Primero que nada, felicitaciones por el excelente blog de temas científicos que tienes, se ve que eres un verdadero apasionado.

Se atribuye a Richard Feynman el haber notado, en 1982, que ciertos fenómenos cuánticos no podían ser simulados eficientemente por una computadora tal y como se entendía la computación en ese entonces (computación clásica) y con ello haber sugerido que podía más bien utilizarse los fenómenos cuánticos para realizar computaciones.

No dejó de ser algo más que una curiosidad teórica hasta que en 1994 Peter Shor descubrió el algoritmo de factorización de primos utilizando computación cuántica que lleva su nombre. Este fue el hito que cambió la historia y captó la atención de muchos investigadores hacia esta forma de computación.

Respecto a que el concepto teórico de qubit (o cubit como lo llamas tu, aunque la mayoría de referencias aun en español lo ponen como qubit) sea de los 1980’s, no tengo claro en qué momento de la historia el desarrollo de la teoria de la información basada en fenómenos cuánticos pudo identificar claramente el concepto. Lo que parece ser de común acuerdo es que el término fue introducido por Benjamin Schumacher en un artículo publicado en Physical Review en 1995.

Por último, efectivamente, se conocen muchas implementaciones de qubits, pero más que implementaciones yo diría que son “pruebas de concepto” pendientes de resolver los nada sencillos problemas de escalabilidad y conservación de la coherencia.

Viendo tu blog noto (y comparto) tu entusiasmo por las implementaciones con resonancia magnética nuclear (NMR) y veo que tienes excelentes razones (muy bien documentadas) para ese entusiasmo.

Saludos hasta España y gracias por tu comentario.

3. fawefawef - mayo 14, 2010

Me ha gustado la forma de explicar la superposición, el hecho de que tenga varios valores esta fatal explicado por la red. Podría mejorarse, pero esta bastante bien.

Sin embargo la paralelización queda muy mal explicada, no acaba de entenderse.

Y además faltaría explicar el entrelazamiento cuántico y sus posibilidades.

4. litomd - mayo 15, 2010

Estimado Fawefawefs,
Gracias por tus comentarios y observaciones. Este artículo merece una segunda parte y probablemente una tercera y cuarta.
Si logramos escribirlo vamos a tener cuidado de explicar bien las posibilidades de paralelismo – inimaginables en la computación clásica – y el enmarañamiento o entrelazamiento cuántico (quantum entanglement).
Saludos,

5. Cuatro nociones de Mecánica Cuántica y Computación Cuántica « GuateCiencia - julio 21, 2012

[...] los qubits. Un sistema cuántico de dos estados, con superposición de ellos, se denomina qubit, y se puede [...]


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