[IT}– El camino hacia el computador cuántico: qubits y qudits

12 diciembre 2016

Araceli Venegas Gómez

Una de las tareas clave para la computación cuántica es la correcta y competente manipulación de los qubits (o bits cuánticos), las unidades básicas de información.

Esta operación no es nada fácil, debido principalmente a que un excelente control supone un reto a la hora de preparar sistemas cuánticos. Al mismo tiempo, se debe aplicar una secuencia correcta de operaciones. Además, hay que ser capaz de medir los qubits, y para ello deben estar totalmente aislados del medio para evitar decoherencia.

Existen numerosos artículos con diferentes propuestas de sistemas para transferir estados cuánticos. Pero, ¿existe ya el computador cuántico? ¿Cuáles son los mejores qubits?

Richard Feynman acuñó la idea de que ciertas operaciones deberían ser computadas mucho más eficientemente con computadores mecánicos cuánticos en vez de computadores clásicos. Sin embargo, el crear un computador cuántico no es una tarea fácil. De hecho, es extremadamente desafiante.

Entonces, ¿por qué hay tanto afán en conseguir un computador cuántico? Debemos tener claro que es improbable que un computador de estas características sirva para mirar el correo electrónico o navegar por Internet. Por otro lado, un computador clásico posee limitaciones en la clase de tareas que puede realizar.

Un computador cuántico permite una aceleración a la hora de computar algunos algoritmos clásicos, además de algunas operaciones complejas (por ejemplo, el algoritmo de Shor [1]). Otras tareas pueden ser llevadas a cabo solamente utilizando un computador cuántico, como operaciones complicadas de la talla de simulaciones de sistemas físicos de muchos cuerpos o de procesos biológicos.

Richard Feynman / Imagen: Caltech

En la escala atómica, las leyes de la mecánica cuántica gobiernan sobre las clásicas. Así, citando la ley de Moore: “El número de transistores por pulgada cuadrada en circuitos integrados se ha multiplicado por dos cada año”, llevará a la contracción de los transistores, donde los efectos cuánticos dominarán sobre los dispositivos clásicos.

¿Qué es un qubit?

Un bit es la unidad básica de información en la computación clásica. De forma análoga, el qubit es la unidad básica de la computación cuántica. Un qubit es un sistema mecánico-cuántico de dos estados, de hecho, una entidad abstracta que se puede realizar físicamente de diferentes maneras.

La principal diferencia entre un bit y un qubit es que, mientras que en un computador clásico la unidad de información codificará ya sea un 0 ó un 1, la naturaleza del principio de superposición en la mecánica cuántica permite que el qubit pueda estar en una superposición de ambos estados al mismo tiempo (ver figura 2). Esto implica que un computador cuántico pueda realizar muchos más cálculos simultáneamente: un sistema con N qubits podría ejecutar 2N cálculos en paralelo.

Bit, qubit, qudit

Los qubits son capaces de almacenar la información cuántica durante cierto periodo de tiempo denominado tiempo de coherencia. Cuando el sistema se conecta con el medio ambiente debido a interacciones no deseadas y fuera de control, existe una tendencia del sistema cuántico a perder su cuanticidad [4], llamándose a este proceso decoherencia.

Otra característica importante es que múltiples qubits pueden mostrar entrelazamiento cuántico, lo que posibilita que un conjunto de qubits pueda expresar una correlación más alta que los sistemas clásicos. En el estado entrelazado, un sistema no puede ser descrito a través de un estado local.

Un qubit es un sistema bidimensional; del mismo modo que un qudit es un sistema d-dimensional. Desafortunadamente, cuando tratamos de operar matemáticamente con ellos se generan algunas dificultades [2]. Sin embargo, hay varias opciones que están siendo estudiadas y que podrían arrojar algo de luz a este respecto, y facilitar el uso de los qudits en aplicaciones prácticas.

A largo plazo, los qudits podría simplificar algunas simulaciones de sistemas mecánicos cuánticos y mejorar la criptografía cuántica.

Referencias

  1. [1] VanMeter and C. Horsman, Communications of the ACM 56, 10 (2013).
  2. [2] Reich, G. Gualdi, and C.P. Koch, J. Phys. A: Math. Theor 47, 385305 (2014).
  3. [3] P. DiVincenzo, Fortschritte der Physik 48, 771 (2000).
  4. [4] E. Northup and R. Blatt, Nature Photonics 8, 356-363 (2014).
  5. [5] Vathsan, Introduction to Quantum Physics and Information Processing, CRC Press; 1st edition (2015).
  6. [6] A. Perez-Delgado and P. Kok, Phys. Rev. A 83, 012303 (2011).
  7. [7] Nigg et al., Science 345, 6194 (2014).
  8. [8] J. Devitt, W.J. Munro and K.~Nemoto, Reports on Progress in Physics 76, 076001 (2013).
  9. [9] Kok et al., Rev. Mod. Phys. 79, (2007).
  10. [10] Li, P.C. Humphreys, G.J. Mendoza, and S.C. Benjamin, Phys. Rev. X 5, 041007 (2015).
  11. [11] I. Cirac, and P. Zoller, Phys. Rev. Lett. 74, 4091 (1995).
  12. [12] M. Serra, and I.S. Oliveira, Phil. Trans. R. Soc. A 370, 4615-4619 (2012).
  13. [13] Barends et al., Nature 534, 222-226 (2016).
  14. [14] Loss and D.P. DiVincenzo, Phys. Rev. A 57, 120 (1998).
  15. [15] Childress and R. Hanson, MRS Bulletin 38, 1938-1425 (2013).
  16. [16] R. Wei and G.L. Long, Scientific Reports 5, 12918 (2015).

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