Las computadoras clásicas adoptan ideas cuánticas

Un chip de silicio de tres qubits creado por investigadores de IBM con la esperanza de algún día diseñar dichos chips con miles de qubits.

Algún día, las computadoras cuánticas podrán resolver problemas complejos de optimización, desmontar rápidamente grandes conjuntos de datos, simular experimentos físicos que ahora requieren miles de millones de aceleradores de partículas. y resuelva muchos otros problemas que no están disponibles para las computadoras actuales. A menos, por supuesto, que se puedan construir. Pero aunque los problemas técnicos no les permiten aparecer, los teóricos aplican las ideas y tecnologías inherentes a la computación cuántica para resolver problemas serios y antiguos de la informática clásica, las matemáticas y la criptografía.

"Existe mucho debate sobre si alguna vez se crearán computadoras cuánticas", dice Chris Peikert, especialista en criptografía e informática en su Instituto de Tecnología de Georgia. "Pero esta es una pregunta, y la segunda es si las técnicas o algoritmos cuánticos pueden ayudarlo a resolver problemas de nuevas maneras".

Recientemente, las ideas cuánticas han ayudado a los investigadores a probar la seguridad de las prometedoras tecnologías de cifrado llamadas "criptografía de red", cuyo uso puede ayudar a ocultar datos confidenciales de los usuarios, como su ADN, incluso de compañías que procesan estos datos. La prueba a través de cálculos cuánticos también condujo a la fórmula para la longitud mínima de los códigos de corrección de errores que protegen los datos del daño.

Las ideas cuánticas inspiraron muchos resultados importantes, como la refutación de un algoritmo erróneo que supuestamente resolvió el problema del vendedor ambulante.

“Si esto sucediera una vez, sería una coincidencia. Pero hay tantas opciones donde el pensamiento "cuántico" conduce a la evidencia ", dice Oded Regev, especialista en TI de la Universidad de Nueva York.


Para el cifrado de datos, puede usar redes multidimensionales, cuya prueba se obtuvo mediante computación cuántica

Como resultado, algunos investigadores consideran que la computación cuántica no es un campo esotérico de la informática, sino una generalización de los cálculos clásicos, así como los polígonos son una generalización de triángulos. Así como los polígonos pueden tener cualquier número de lados y los triángulos tienen solo tres, las computadoras cuánticas pueden trabajar con cualquier número (positivo, negativo, real, imaginario), mientras que las computadoras clásicas usan solo números positivos reales.

En un caso más general, las ideas cuánticas son herramientas poderosas para resolver problemas computacionales clásicos. "Hay varios problemas clásicos que no tienen nada que ver con el mundo cuántico, pero es mejor analizarlos generalizando al nivel cuántico, probando algo usando la teoría de la información cuántica y luego volviendo al nivel clásico", dice Ronald de Wulf, teórico informático en el Centro Holandés de Matemáticas e Informática.

Según las estimaciones actuales, no más del 5% de los científicos que trabajan en el campo de la informática teórica estudian computación cuántica. Pero los investigadores dicen que los recientes éxitos del "pensamiento cuántico" han llevado a un aumento en el número de teóricos que buscan aprender física. "Estas sorprendentes ramificaciones de la computación cuántica en realidad han obligado a los científicos a utilizar la informática clásica para estudiar la computación cuántica", dijo Scott Aaronson, un teórico de la informática en el Instituto de Tecnología de Massachusetts.

El objetivo de la computación cuántica es utilizar el extraño comportamiento de las partículas en escalas cuánticas para realizar cálculos que parecen imposibles para las computadoras comunes. Una computadora convencional almacena bits de información en transistores, que, en forma de interruptores, pueden estar en uno de dos estados, denotando 1 o 0. Una computadora cuántica almacena qubits de información en partículas subatómicas, electrones o fotones que pueden existir en los estados 1, 0 o en superposición ambos, y también pueden enredarse entre sí, como resultado de lo cual el estado de un qubit determina el estado del otro.


Chip IBM de 3 qubits

La superposición y las complejidades obligan a los qubits a comportarse de manera bastante diferente a los bits. Un circuito de dos bits de una computadora clásica puede estar en uno de cuatro estados (0,0; 0,1; 1,0; 1,1). Un par de qubits puede ser una combinación de todos ellos. Con un aumento en el número de qubits, el número de estados posibles, y con él el volumen del estado contenido en el sistema, crece exponencialmente. Una computadora cuántica con varios cientos de qubits podría resolver problemas más rápido que las supercomputadoras de hoy.

El único problema es que nadie ha podido crear una computadora cuántica en la que el número de qubits exceda el número de dedos. Chris Lirakis, físico del grupo de cálculos cuánticos superconductores de IBM Research, explica que para evitar que el sistema de qubit enredado se colapse, debe aislarse y enfriarse hasta casi cero. Al mismo tiempo, los qubits deben estar separados aproximadamente un centímetro, de modo que las operaciones con uno de ellos no afecten a los demás. Estas limitaciones hacen que miles de sistemas qubit sean demasiado grandes para caber en refrigeradores capaces de mantener la temperatura adecuada.

"Debe resolver muchos problemas de ingeniería muy serios para que este sistema sea escalable", dice Lirakis. "Todos los problemas son tira y afloja".

Regev, quien trabajó con Pakert para demostrar la seguridad de la criptografía en las rejillas a través de principios cuánticos, dice que espera ver la construcción de computadoras cuánticas durante su vida. "Pero el enfoque cuántico ha influido tanto en todo que incluso si nadie pudiera hacer una computadora cuántica, no estaría muy molesto", dice.

Con la creciente popularidad de la tecnología cuántica, uno puede esperar que se resuelvan más y más problemas clásicos. "Fueron estos resultados los que me convencieron de que incluso si no hubiera mecanismos cuánticos en el universo, los científicos informáticos eventualmente los inventarían para resolver problemas".

Source: https://habr.com/ru/post/es398365/