LO CURIOSO PARA HACER ESTE TIPO DE COMPUTADORA CUÁNTICO

EL ORDENADOR CUÁNTICO

En los últimos años, ha despegado y se ha  constituido toda una nueva disciplina, la computación cuántica, que en último término pretende desencadenar una nueva concepción en la arquitectura de los ordenadores, para dar lugar al ordenador cuántico. A continuación, veremos tanto las motivaciones para este cambio tecnológico, como los nuevos conceptos implicados y los primeros ordenadores cuánticos. 

CUBITS

Sabemos que la información se representa en piezas discretas, al igual que los niveles energéticos de los átomos. La unidad básica de información es el bit.

Desde un punto de vista físico, un bit es un sistema con dos estados, pudiendo ser preparado en uno de estos estados, que representan dos valores lógicos: sí ó no, 1 ó 0. Por ejemplo, en los ordenadores digitales, estaría representado por el valor del voltaje que adquieren las placas de un condensador. Así, 1 sería un valor de "a " volts, y 0 un valor de  "b" volts. Pero un bit puede también ser representado por dos diferentes polarizaciones de la luz, o por dos estados electrónicos de un átomo. Ahora la mecánica cuántica nos dice que si un bit puede estar en cualquiera dos estados distinguibles, también puede estar en cualquier superposición coherente de ellos, y claro, estos son más estados, que no tienen anólogos clásicos, y en los cuales un átomo representa ambos valores 0 y 1 simultaneamente(y este comportamiento es propio de los sistemas atómicos).

Es a esta representación, que puede tomar  los dos valores 0 ó 1en proporciones arbitrarias, pero  simultaneamente, a lo que se llama cubit ó unidad de información cuántica.

¿Es esto un avance respecto al bit?.

 Veamos un ejemplo: consideremos un registro compuesto por tres bits. Un registro de tres bits clásicos podría tomar una de las 8 configuraciones posibles, 000,001,010,... , 111, representando los números del 0 al 7. Pero un registro cuántico de tres cubits podría almacenar simultaneamente hasta las 8 configuraciones en una superposición cuántica. Esto no es  más sorprendente que el hecho de que  los números 0 y 1 estén ambos presentes en el mismo cubit. Así, si añadimos más cubits al registro, su capacidad aumenta de forma exponencial: 4 cubits podrán almacenar 16 números diferentes a la vez, y en general X cubits podrán almacenar hasta 2*2*. x....*2 =2^X a la  vez.

Ahora para estimar su potencia, se pueden hacer cálculo cuántico; de esta forma una vez que se ha preparado un registro en una superposición de varios números diferentes, se pueden realizar operaciones matemáticas de todos ellos a la vez. De hecho se ha probado que un ordenador con un tipo de registros cuánticos como los presentados anteriormente puede realizar en un mismo paso computacional  la misma operación matemática que la que se realizaría con 2L inputs de números. En cambio para realizar la misma tarea, un ordenador clásico debería repetir el cálculo 2L veces, o debería utilizar 2L procesadores diferentes trabajando en paralelo.  

Esto representa una notable ganancia en el uso de recursos computacionales, tales como tiempo y memoria. 

ORDENADORES CUÁNTICOS

Ahora, ¿en qué consistiría la diferencia entre un ordenador cuántico y otro clásico?. Pues bien, un ordenador cuántico funcionaría asociando el conocido carácter discreto del procesamiento de información digital(esto es, los bits) con el extraño carácter  de la mecánica cuántica(niveles finitos de energía, estados atómicos discretos).

Así, una hilera de átomos de hidrógeno podría  alojar cubits igual de bien que alojan bits una serie de condensadores. Un átomo en estado fundamental electrónico(el menor estado discreto de energía)podría ser la codificación de un 0, y en estado excitado un 1.Pero para que tal sistema cuántico pueda funcionar como un ordenador, no se debe limitar a almacenar cubits, sino que quien lo maneje ha de ser capaz de introducir información en el sistema, ha de procesar tal información mediante manipulaciones lógicas simples, y ha de poder devolver la información procesada: en conclusión han de poder leer, escribir y efectuar operaciones aritméticas.

¿Es esto posible actualmente?. 

HARDWARE

Hoy se sabe como leer y escribir información en sistemas cuánticos;veamos los procesos y un problema no resuelto 

•      Escritura.Aplicado a átomos de hidrógeno, el método consiste en lo siguiente:imaginemos un átomo de hidrógeno en su estado fundamental,en el que posee una cantidad de energía E₀.Para escribir un bit 0 en este átomo no se actua físicamente sobre él. Para registrar un 1 en él, excitamos el átomo hasta un nivel energético superior E₁.Esto se consigue bañandolo en luz láser compuesta por fotones cuya energía sea igual a la diferencia entre E₁  y  E₀.  Si el haz láser posee la intensidad adecuada y se aplica durante el tiempo necesario, el átomo pasa gradualmente desde el estado fundamental al excitado,al absorber el electrón del átomo un fotón.Si el átomo se encuentra ya en el estado excitado, el  mismo pulso lumínico provocará que emita un fotón y regrese al estado fundamental.    Desde el punto de vista del almacenamiento de información, el pulso le dice al átomo que invierta el estado de su bit(y no cubit, porque sólo puede estar, en este caso de intensidad y frecuencias adecuadas, en uno sólo de los estados). Ahora si aplicamos el láser de la energía precisa para estos dos niveles, pero se hace en la mitad de tiempo necesario para llevar al átomo desde el estado 0 al 1,el átomo se hallará en un estado que será la superposición de la onda correspondiente al 0 y de la onda correspondiente al 1:es el cubit

•      Lectura.En un sistema cuántico sería parecida a la escritura:se empuja al átomo hasta un estado energético todavía  más elevado y menos estable, E2.Esto lo hacemos sometiendo al átomo a luz láser de energía igual a la diferencia entre  E1 y E₂;si el  átomo se encuentra en  E₁  ,se excitará hasta E₂,pero retornará rápidamente a E₁  emitiendo un fotón.Si el átomo sencuentra ya el estado fundamental ,nada ocurre.Si se halla en el estado superpuesto de 0 y 1 ,tiene igualesprobabilidades de emitir un fotón,revelando que es un 1 ,como de no emitirlo ,indicando que es un 0.

 

•      Errores:Corrección de error cuántico. Los distintos sistemas que podrían utilizarse para el registro y procesamiento de información son sensibles al ruido(perturbaciones del medio) que puede invertir bits de modo aleatorio. Los métodos clásicos de corrección de errores, (dispositivo flip-flop) entrañan la medición de bits para ver si son erróneos, lo que en un ordenador cuántico provocaría decoherencia. A tenor de esto, se esta desarrollando toda una teoría sobre posibles alternativas para corregir estos defectos, la corrección de error cuántico. (Ver:Figura 3)

 

Pero, ¿qué ocurre con las operaciones aritméticas que pudieran realizar los ordenadores cuánticos?.Sabemos que si un ordenador digital(clásico) posee puertas lógicas(esto es, circuitos que realizan operaciones elementales), como la AND,  la NOT y la OR, entonces puede llevar a cabo cualquier operación lógico-aritmética. Pues bien, a un ordenador cuántico se le debería pedir lo mismo.

De hecho, operaciones de lógica cuántica elemental se han demostrado posibles en experimentos, durante los últimos 50 años. Por ejemplo, la operación NOT no es más que una transición simulada entre dos niveles de energía E1  y E0; la operación XOR se  puede identificar como una transición controlada en un sistema cuántico de cuatro niveles.

Sin embargo, si se quiere construir un ordenador cuántico real, es necesario encontrar un sistema que sea suficientemente controlable para permitir la implementación de puertas lógico-cuánticas(la versión cuántica de las puertas lógicas actuales), y todavía  en estos días(2000/2001), es muy complicado el almacenar varios cubits de información en un sistema cuántico, que permitan su manipulación.

Las dificultades se presentan, puesto que es difícil el hallar estos sistemas controlables. Los candidatos iniciales(esto es, los dispositivos cuánticos)se fabricaban sobre microchips de estado sólido(siendo ésta la progresión lógica de las técnicas de microfabricación que han permitido incrementar la potencia de los actuales ordenadores). Sin embargo las operaciones cuánticas presentan complicados efectos de interferencia y de ruido. Que se sepa ningún sistema cuántico está realmente aislado del medio, y el acoplamiento a este medio produce la temida decoherencia, que destruye la superposición de los estados contruidos.

Por ejemplo en estos dispositivos de estado sólido, el medio  sería el substrato sobre el que se asienta el dispositivo cuántico, y el acoplamiento a este substrato es tan fuerte que produce tiempos de decoherencia típicos del orden del picosegundo. 

Y claro,  esto no es suficiente, pues aunque tengamos dos estados diferentes, que sean estables, precisamos también que superposiciones de estos dos estados conserven su entidad durante tiempos E₁  y  E₀ comparables, y es aquí donde  el tiempo de escala de decoherencia es tan corto. 

LA CONSTRUCCION DEL ORDENADOR CUANTICO

En principio se sabe como construir un ordenador cuántico: se comienza por puertas lógico-cuánticas que se va uniendo e integrando junto a la circuitería cuántica(cables cuánticos y buses apropiados). Sin embargo cuando el número de puertas cuánticas(recordar, la versión cuántica de las puertas lógicas actuales) en la red se incrementa, se manifiesta una mayor interacción entre los cubits, con el consiguiente riesgo de decoherencia en los estados construidos, y por tanto de diseminación de la información por el medio, expoliando el cálculo.

 La dificultad para construir el ordenador, estriba en que es preciso encontrar un sistema formado por entidades básicas(cubits) que admitan una fácil manipulación y se encuentren completamente aisladas del exterior (y de esta forma preservar  el rasgo que permite realizar una misma operación sobre varias entradas(inputs) simultaneamente).

Pues bien estos sistemas no abundan; expongo a continuación los candidatos para constituir primer el ordenador cuántico(aunque humildemente se debería llamar procesador cuántico):

TRAMPA DE IONES:

CADENA DE IONES

 Propuesto por P.Zoller y J.I.Cirac, consiste en una cadena lineal de iones(es decir, átomos ó moléculas con carga eléctrica no nula) atrapados por una configuración conveniente de campos electromagnéticos, encerrados en un recipiente aislado de campos electromagnéticos espúreos(distintos de los que permiten atrapar a los iones), y en un ambiente de alto vacío para suprimir el choque de los iones con otros átomos sueltos. 

RESONANCIA MAGNETICA NUCLEAR(NMR).

En este caso el procesador es una molécula, constituida por una médula de unos 10 átomos, y con otros átomos asociados a la médula por enlaces químicos(pensar en la molécula de un hidrocarburo). Ahora, es el núcleo de cada átomo de la hilera el que interesa. Cada uno de estos posee un momento magnético asociado al espín nuclear, y los estados de espín(discretos) proporcionan los cubits.

Para operar sobre tal molécula, se sitúa en un campo magnético alto,que interacciona con los estados de espín del núcleo,pudiendo así ser manipulados al aplicar campos magnéticos oscilantes.

El problema que presenta esta técnica, es que el estado de espín del  núcleo de una única molécula no puede ser ni preparado ni medido; para salvar este escollo, no se utiliza una única molécula, sino un recipiente con estas moléculas en estado líquido,¡en número de 10^20!!.Es entonces cuando puede ser medido el estado de espín promedio. En recientes experimentos(ver Suplemento FUTURO de el país digital-25 de abril2001), la técnica de NMR se ha utilizado para realizar cálculos con moléculas de ácido crotónico, que permitirán detectar y corregir los errores que se producen en los  cálculos cuánticos.(ver figura 2 ) 

creado por Edwin Daniel Pineda Barahona