¿QUÉ ES LA COMPUTACIÓN CUÁNTICA?
Otra introducción a la computación cuántica...
2. What’s Quantum Computing?
2.1 Más que lanzar monedas
El ejemplo de las monedas que se lanzan al aire puede ser útil para explicar cómo se comportan los efectos cuánticos, pero sería poco práctico utilizar monedas como método de procesamiento cuántico de la información: la computación cuántica. Hay algunas razones obvias para ello:
- Lanzar monedas no es muy rápido. Los ordenadores convencionales (CPU) tienen una velocidad de reloj del orden de los GHz o miles de millones de ciclos de reloj completos por segundo. Necesitaríamos un número astronómico de monedas para intentar replicar eso.
- Flipping coins can only really be used to generate random numbers. Beyond the conventional deterministic computing operations we can already do, the only real advantage from quantum theory would be the ‘random’ nature of the coin flips.
- Juntar las monedas es aún más lento que darles la vuelta. Por no hablar de la parte en la que se barajan de forma pseudoaleatoria.
En otras palabras, un ordenador cuántico práctico tendría que ser, como cabría esperar, un sistema cuántico que pudiera controlarse con eficacia y eficiencia para realizar cálculos útiles.
2.2 ¿Qué hacen los computadores?
Antes de añadir especias cuánticas a nuestros ordenadores, sería prudente describir primero qué es lo que hacen nuestros ordenadores clásicos.
Los ordenadores funcionan ejecutando operaciones lógicas (por ejemplo, suma/resta/multiplicación/...) que llevan a la máquina de un punto inicial a un punto final. El punto de partida que se introduce en el ordenador se conoce como entrada y el resultado final se denomina salida. Un *algoritmo* es un conjunto de instrucciones que permiten al ordenador tomar la entrada y generar una salida. Por ejemplo, un algoritmo para duplicar un número podría tomar una entrada de 3, multiplicarlo por 2 y devolver una salida de 6.
Volviendo a las monedas, esto es algo así como colocarlas en fila y luego proceder a barajarlas y lanzarlas de acuerdo con un guión que permite hacer algo. Por ejemplo, se podrían sumar 2 números expresados en binario siguiendo una serie sencilla de reglas que permitan la suma. Esto no es muy distinto a utilizar un abaco como calculadora. Desde la aparición del ordenador digital en los años 40, estas operaciones han sido realizadas por máquinas cada vez más avanzadas con un éxito cada vez mayor.
Esta descripción de la computación es lamentablemente inexacta para los estándares modernos, pero basta para esbozar los fundamentos básicos y es suficiente para motivar el uso de sistemas cuánticos.
2.3 Algoritmos cuánticos
Los ordenadores convencionales son realmente buenos en lo que hacen. El campo de la computación de alto rendimiento ha tenido muchas décadas para madurar. Según Top500, un índice de seguimiento de los superordenadores más potentes, Fugaku, el superordenador más potente, es una potencia de 1.000 millones de dólares. Consume 29.899 kilovatios para alimentar 7.630.848 núcleos. En comparación, un portátil de gama media puede tener 6 núcleos y consumir unos 30 vatios en total.
Ambas máquinas ejecutan algoritmos que toman una entrada y generan salidas de forma similar. Aunque ambas son excelentes para resolver un gran número de problemas, hay dos cosas que no pueden manejar tan bien: la superposición y el entrelazamiento.
Empezando con un simple lanzamiento de moneda hay 2 resultados posibles. Si añadimos una segunda moneda, hay 4 resultados posibles (HH, HT, TH, TT). A medida que se añaden más y más monedas al lanzador, el número de resultados posibles, $N$, crece como $latex N = 2^n$. Si tuviéramos 300 monedas, eso significaría que un solo lanzamiento tiene más resultados posibles que el número total de átomos que estimamos que hay en el universo. Eso es aproximadamente 2 seguido de 90 0's combinaciones diferentes de H y T. Ahora imagina que lanzas estas monedas 300 veces...
Un ordenador cuántico podría resolver este problema fácilmente. En lugar de necesitar un universo de átomos, bastaría con 300 qubits *de calidad suficientemente alta* para ejecutar un algoritmo cuántico que pudiera simular estas monedas (incluyendo cualquier pegado extravagante de las mismas) con una precisión arbitraria.
Los algoritmos cuánticos son similares a la entrada y salida de los algoritmos clásicos, pero con el añadido de la superposición y el entrelazamiento de por medio. Si un algoritmo no presenta estos dos conceptos, una solución clásica superará a cualquier ordenador cuántico en cualquier momento.
2.4 Ventaja Quantum
If our conventional computers perform so many tasks better, there must be some motivation for quantum computing being such an exciting area of research. Aside from the elegance of manipulating quantum states, quantum computing is expected to be more useful than a glorified coin tossing simulator.
Despite the limitations in state of the art quantum computing machines, it is known of a few valuable applications where quantum algorithms *theoretically outperform* the best possible classical solution. In these specific applications it is said there is a proven *quantum advantage* as using the quantum computer derives some benefit to the user for that application.
Whether or not it is worth using a quantum computer for a specific task is a very complicated question. It is not as simple as finding out if a quantum computer is faster but also whether the output of the quantum computer is better than what could have been done with conventional algorithms on a powerful classical computer. As of the time of writing, there has been no practical demonstration of a problem with real world (outside experimental physics) problem where using a quantum computer was better than using the tried and tested classical solution. As quantum computers become increasingly powerful it is hoped that this threshold will be crossed in the next few years…
Autor
Thomas Clarke – Físico y Magíster en Computación Cuántica
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