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¿Qué es una computadora cuántica?

¿Qué es una computadora cuántica?

¿En qué se diferencian las computadoras cuánticas de las computadoras ordinarias? Te diremos qué son los qubits, cómo funcionan las computadoras cuánticas y dónde te serán útiles.

Las noticias informan regularmente que alguien ha desarrollado otra computadora cuántica y esto cambiará el futuro de la informática. Google anunció recientemente que su computadora cuántica D-Wave, que describe como «superioridad cuántica», resuelve problemas cien millones (!) De veces más rápido que las computadoras convencionales. Si esto es cierto, ¿cuáles son los qubits que brindan un rendimiento tan increíble?

Un poco de historia

Por primera vez empezaron a hablar de computación cuántica en 1980, pero luego la pregunta no iba más allá de la teoría. La encarnación física de las computadoras cuánticas se remonta a hace unos años. En 2010, en la Universidad Técnica de Munich, los científicos demostraron la primera computadora de cinco qubits que funcionaba y realizaron las primeras tareas para calcular elementos ordinales en el centro de investigación de IBM en la Universidad de Stanford.

Hoy en día, las computadoras cuánticas se denominan máquinas muy productivas que pueden superar incluso a las supercomputadoras utilizadas por gigantes de la tecnología de la información o, por ejemplo, agencias espaciales como la NASA, en términos de velocidad y volumen de cálculo. Pero cualquier computadora de este tipo está basada en qubit; comencemos con ellos.

Fuente: rb.ru

Que es un qubit

Si las computadoras ordinarias se miden por la frecuencia del procesador y la RAM y funcionan con bits, las computadoras cuánticas usan qubits para esto. Un qubit es un elemento básico de cálculo, que es un sistema en el que el número de partículas es similar al momento y la variable de fase (estado de energía) es la coordenada. mientras que los bits en las computadoras tradicionales toman el valor de cero o uno, los qubits pueden estar en ambos valores simultáneamente y en diferentes combinaciones de ellos. En la práctica, esto permite crear numerosas combinaciones y desarrollar velocidades de cálculo comparables al rendimiento de las supercomputadoras. Ya hemos escrito sobre esto último en el artículo «Los primeros superordenadores: en los albores de la era del Big Data».

Un qubit es la unidad de información más pequeña posible en las computadoras cuánticas que puede estar en diferentes estados de espacio y tiempo simultáneamente. Al mismo tiempo, los propios qubits tienen propiedades interesantes que, en última instancia, determinan la increíble potencia informática inherente a las computadoras cuánticas; en primer lugar, su superposición y entrelazamiento.

La superposición se refiere a la capacidad de los qubits de estar en múltiples estados simultáneamente. Es lo mismo si, cuando se lanza la moneda, ambas «cara» y «cruz» caen simultáneamente. Se utilizan láseres de alta precisión o rayos de microondas para superponer los qubits. En la práctica, la superposición le permite calcular una gran variedad de resultados diferentes utilizando qubits.

Los pares entrelazados son pares en los que ambos qubits están en el mismo estado cuántico. Y si el estado de un qubit cambia, el segundo «se repite» después. Esta propiedad acelera enormemente los cálculos de los que son capaces las computadoras cuánticas. Por otro lado, debido a la confusión en estos cálculos, a menudo ocurren errores críticos.

¿Por qué las computadoras cuánticas son ambiguas?

La principal ventaja de las computadoras cuánticas sobre las computadoras convencionales es la velocidad de cálculo. Dado que vivimos en un mundo donde los datos se calientan a gran velocidad, por supuesto, necesitamos herramientas que procesen estos datos: clasificar, extraer información de cierto tipo, analizarla, entrenar sistemas de inteligencia artificial con ella. En los entornos informáticos tradicionales, el rendimiento aumenta según la ley de Moore: el número de transistores en los chips del procesador se duplica cada dos años. Es un poco diferente con las computadoras cuánticas. Ya están demostrando un salto en rendimiento, aunque no en todas las tareas que necesitan ser resueltas por humanos.

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Porque las computadoras cuánticas no son universales

La velocidad y el rendimiento son buenos, pero en muchos casos la precisión es lo primero. Aquí, las computadoras cuánticas todavía están por detrás de los sistemas informáticos tradicionales. Los Qubits son a menudo imposibles de obtener una solución precisa e inequívoca a un problema. y la corrección de errores consume recursos adicionales.

Otro problema es la complejidad de la construcción de algoritmos cuánticos. Grandes equipos de ingenieros están trabajando para adaptar los algoritmos clásicos a los cuánticos. Sin esto, es imposible acelerar la ejecución incluso de las tareas más simples.

De hecho, hay una pequeña cantidad de computadoras cuánticas que aún no se destacan por algunas capacidades asombrosas en las propias supercomputadoras. Los problemas que se pueden resolver usando qubits pueden ser lo más simples posible para una PC de oficina, pero requieren muchos de los recursos de una computadora cuántica.

D-Wave y superioridad cuántica

Volvamos a Google y su fuerte afirmación de «supremacía cuántica». El gigante mundial de TI dijo que su D-Wave resuelve problemas que las computadoras convencionales no pueden. Google se centró en el procesador cuántico programable Sycamore, que es capaz de alcanzar el estado cuántico de 53 qubits. Es de suponer que gracias a él, una computadora cuántica asumió una tarea en 200 segundos, ¡lo que a una computadora ordinaria le tomaría 10 mil años!

Este evento podría haber sido el mayor avance tecnológico, pero, como suele suceder, el escepticismo de los competidores se interpuso. IBM dijo que Google, por decirlo suavemente, embelleció la realidad y se equivocó seriamente en sus cálculos de rendimiento. y la computadora iBeam de Summit puede hacer los mismos cálculos que D-Wave, pero en dos días y medio (no en 10,000 años). Otras empresas también se han sumado a las críticas y han declarado que tales invenciones deben valorarse adecuadamente no por buenos números, sino por su utilidad real.

No importa quién sea el primero en lograr la «supremacía cuántica». Lo principal es que hoy no hay nada detrás de este término que pueda cambiar nuestra vida. La D-Wave ampliamente publicitada todavía sabe cómo solucionar … un problema y al mismo tiempo no puede agregar 2 + 2 sin manipulaciones complejas. Así que es demasiado pronto para decir que las computadoras cuánticas cambiarán nuestras vidas pronto.

Fuente: dwavesys.com

¿Dónde se pueden utilizar las computadoras cuánticas?

Las computadoras cuánticas son el nivel más alto en el mundo de la informática. En consecuencia, no es apropiado utilizarlos para resolver tareas cotidianas (y, como vimos anteriormente, es prematuro). Pero ya está claro que se necesitarán computadoras cuánticas donde sea que se necesiten predicciones económicas precisas, fórmulas de investigación para nuevos fármacos, desarrollo de vuelos espaciales o simulaciones del comportamiento de la materia a nivel molecular. Las primeras tareas asignadas a las computadoras cuánticas no fueron fáciles: en 2016 Google simuló una molécula de hidrógeno en una computadora de nueve qubits, y un año después Microsoft anunció un lenguaje de programación cuántica integrado en Visual Studio. A partir de ejemplos más mundanos, la experiencia de la empresa de automóviles Volkswagen es interesante. Sus ingenieros presentaron un servicio que calcula las trayectorias óptimas para autobuses y taxis en ciudades. en este caso, el uso de una computadora cuántica ayudó a prevenir la congestión del tráfico.

Estamos seguros de que pronto descubriremos otros escenarios asombrosos para el uso de computadoras cuánticas.