El estado actual de la computación cuántica

 

La computación cuántica ha pasado de ser una disciplina de nicho relativamente limitado a una herramienta con el potencial de desempeñar un papel destacado en el desarrollo de aplicaciones para resolver problemas complejos. A continuación se ofrece un resumen de los elementos esenciales de la computación cuántica, presentados por Gregory T. Byrd de la Universidad Estatal de Carolina del Norte y Yongshan Ding de la Universidad de Yale, así como las innovaciones que están impulsando su ascenso actual.

Los conceptos básicos de la computación cuántica

Los elementos básicos que impulsan la computación cuántica moderna consisten en componentes que a menudo tienen paralelos en la computación tradicional pero que han sido adecuados para el ámbito de la mecánica cuántica.

Qubits

Un qubit es similar a un bit en la informática tradicional en el sentido de que es la unidad fundamental de un sistema de computación cuántica. Sin embargo, permite cálculos mucho más complejos porque un solo qubit puede consistir en una superposición de estados lógicos. Por ejemplo, el quibit | ψ〉= α |0〉 + β |1〉donde α y β son números complejos, y | α |2 + | β |2 = 1.

Por tanto, un único qubit es capaz de realizar múltiples cálculos simultáneamente.

Puertas y algoritmos

Las puertas cuánticas manipulan los coeficientes de los estados básicos. De esta manera, realizan la misma función general que las puertas lógicas en los sistemas informáticos tradicionales.

Los algoritmos cuánticos suelen seguir un patrón en el que:Cree un estado cuántico que codifique un conjunto de datos o una condición inicial.

Realizar operaciones sobre el estado cuántico para amplificar la respuesta a un problema minimizando los estados que no son de interés.

Mida el sistema cuántico para determinar qué estados proporcionan la información más útil.

Por tanto, los algoritmos cuánticos se parecen mucho a los algoritmos informáticos tradicionales, al menos en lo que respecta a su lógica.

Recocido cuántico

Un recocido cuántico es un modelo computacional que se utiliza para encontrar la mejor solución ante un conjunto de soluciones potenciales. Una empresa llamada D-Wave produce recocidos cuánticos a los que los usuarios pueden acceder con fines comerciales.

Implementaciones físicas

Las computadoras cuánticas son sistemas físicos que se comportan como qubits. Sin embargo, debido a que los estados cuánticos se ven afectados por su entorno, el modelo de computación cuántica sólo proporciona una aproximación de lo que sucede a nivel cuántico.

Esta es la razón por la que John Preskill introdujo el término cuántico ruidoso de escala intermedia (NISQ), que describe los sistemas de computación cuántica modernos. Para reducir el factor "ruidoso", es necesario aumentar el número de qubits a millones.

Qubits superconductores

Un qubit superconductor se refiere a un circuito electrónico donde los niveles de energía asumen valores cuánticos. Para desarrollar qubits superconductores, los investigadores utilizan películas 2D hechas de material superconductor. Luego se enfría a temperaturas criogénicas para evitar que la energía térmica perturbe el estado del qubit. Para controlar el qubit se utiliza acoplamiento electromagnético con pulsos de microondas.

Tecnología de Hardware

La tecnología de hardware necesaria para la computación cuántica aún está en proceso de cambio. Los iones atrapados y los qubits superconductores son los más conocidos, pero hay otros enfoques en el horizonte, como los átomos neutros, la fotónica y los qubits de silicio.

Sistemas y Software

En este momento, los sistemas y el software necesarios para la computación cuántica son limitados, pero se están realizando investigaciones para desarrollar soluciones ampliamente utilizables. Enfrentar este desafío implica:

• Construyendo una pila cuántica: Primero hay que construir una pila cuántica que pueda funcionar con los principios de la computación cuántica, que, como se mencionó anteriormente, son diferentes de los que impulsan los sistemas tradicionales.

• Superar desafíos: Esto incluye la disponibilidad limitada de qubits y la lucha contra los problemas de entrelazamiento de largo alcance.

• Codiseño de soluciones de hardware y software: El codiseño de soluciones de software y hardware garantiza que las aplicaciones tengan en cuenta las limitaciones del hardware en el que se ejecutarán.

• Desarrollar una arquitectura cuántica tolerante a fallas: Esto implica tener en cuenta las variaciones naturales en el entorno de un sistema cuántico aislando los qubits de los factores ambientales y al mismo tiempo permitiéndoles interactuar entre sí.

• Integrando la computación clásica y cuántica: Por ejemplo, se necesita un preprocesamiento o posprocesamiento clásico para que los algoritmos sean útiles, incluidos los desarrollados mediante computación cuántica.

Los cinco principales desafíos y oportunidades de la computación cuántica

A pesar de los avances realizados en la computación cuántica, como se mencionó anteriormente, existen algunos desafíos que deben superarse antes de que se pueda aprovechar plenamente el potencial de la computación cuántica. También existen algunas oportunidades que las comunidades informática, científica y empresarial pueden aprovechar.

1. La disponibilidad de qubits. Actualmente no hay suficientes qubits de alta calidad con corrección de errores. Para superar esto, es importante aprovechar la gestión de la memoria cuántica, que puede implicar hacer coincidir los qubits con tareas para las que son adecuados.
2. La conectividad limitada hace que los enredos de largo alcance sean inviables. Idealmente, podríamos utilizar el entrelazamiento para manipular muchos qubits para realizar una sola operación. Pero actualmente se están construyendo muchos dispositivos con conectividad limitada, lo que dificulta la conexión a larga distancia.
3. Soporte limitado para tolerancia a fallas a nivel de circuito. Si bien ha habido avances en la corrección de errores para la creación de qubits tolerantes a fallas, todavía es un desafío integrarlos en sistemas informáticos universales.
4. Verificación y depuración. Debido al efecto de la medición a nivel cuántico, es muy difícil verificar y depurar la computación cuántica, especialmente cuando se trata de sistemas más grandes.
5. Computación cuántica como servicio. Los servicios de computación cuántica basados ​​en la nube, que implican el despliegue de computadoras cuánticas en la nube, están haciendo que la computación cuántica sea mucho más accesible para las masas.