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computación cuántica

La teletranspotación cuántica en cinco minutos

Algoritmo aplicable al software actual que iguala en velocidad a la computación cuántica

¿Imposible? No tanto, al menos en teoría tal y como revela el siguiente estudio, liderado por John Watrous, en el Instituto de Computación Cuántica de Waterloo en Ontario, Canadá. Hasta ahora, todos entendíamos la computación cuántica como el siguiente nivel para la informática, aquella que ofrecería un rendimiento y velocidad duplicado al actual y que formaría parte del “día después” a la Ley Moore. Quizá este estudio nos viene a decir que no estaba todo dicho con respecto a lo que la informática “clásica”, actual, se refiere.

El estudio de los investigadores afirma que, al menos en ciertos problemas, la informática clásica puede igualar la velocidad final de una computadora cuántica de trabajo. Este curioso resultado surgió del propio estudio del rendimiento en la computación cuántica. Watrous y el resto de científicos encontraron que un algoritmo poco utilizado en el software de hoy podría proporcionar un nuevo nivel de rendimiento de resolución de problemas en los ordenadores tradicionales, que a la vez, podría coincidir, en teoría, a la velocidad obtenida por los ordenadores cuánticos. Watrous lo explicaba así:

Estamos poniendo mucho dinero en la construcción de ordenadores cuánticos, pero no debemos subestimar el poder de los algoritmos. Una consecuencia clara y notable de esta caracterización implica que la computación cuántica no proporciona ningún aumento de potencia de cálculo alguno sobre la informática clásica. Al menos en el contexto de sistemas de demostración interactiva

Una vez conformado el singular hallazgo y con el fin de establecer el estudio. Los investigadores utilizaron el algoritmo para evaluar el potencial de velocidad en computación clásica. En este caso se utilizó para el desarrollo dos tipos de investigación matemática: la optimización combinatoria y la teoría del aprendizaje. El resultado viene a decir que un algoritmo proporciona una forma de resolver un problema usando procesos paralelos. Para Watrous es sorprendente, ya que:

Nunca se ha considerado en un ambiente paralelo. Teníamos que demostrar que este método podría ser en paralelo, y hasta ahora jamás se había realizado. Podemos tratar de de construir ordenadores cuánticos para resolver problemas, pero también podríamos simplemente diseñar nuevos algoritmos para resolver problemas

Actualmente no existen ordenadores en el mercado comerciales, de computación cuántica. IBM y otras compañías sí están empezando a desarrollar las tecnologías de lo que será la informática del futuro, empezando por los elemento básicos. Para que os hagáis una idea del desarrollo de este descubrimiento, se podría emplear el algoritmo en la informática comercial, en programas de software o en el ámbito de la programación que busca resolver problemas de optimización.

Fuente:  Bitelia

Bajo una licencia Creative Commons

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Enlaces de interés:

Nuevo material que supone avance en la computación cuántica.

Actualidad informática: Científicos de Frontera. Cirac

¿Logaritmos, el nuevo punto flotante?

Algoritmo cuántico de búsqueda

Google acaba de demostrar lo que se conoce como un algoritmo de búsqueda cuántico que es capaz de trabajar de manera altamente eficiente en comparación con los algoritmos de búsqueda tradicionales en servidores y ordenadores. Si bien una búsqueda puede necesitar 500.000 intentos con un algoritmo tradicional, el utilizar el algoritmo cuánto reduce el tiempo de búsqueda, ya que sólo necesitaría 1.000. Eso viene a ser 500 veces más eficiente que la tecnología que usamos a día de hoy.

La computación cuántica lleva varios años dando que hablar. La ventaja de que la información pueda almacenarse en qubits (bits cuánticos) que pueden representar ambos estados 0 y 1 al mismo tiempo hace que el proceso y el almacenamiento sea mucho más eficiente. Como ejemplo, Google ha comentado que un ordenador tradicional, necesitaría 500.000 pruebas para encontrar una bola escondida en 1 cajón de un millón. Sin embargo, un ordenador cuántico sólo necesitaría mirar en 1.000 cajones gracias a lo que se conoce como algoritmo Grover.

Google ha estado utilizando un ordenador cuántico creado por la compañía canadiense D-Wave. En palabras de la compañía de Mountain View, gracias a la aplicación de un algoritmo creado en el MIT (algoritmo adiabático cuántico), el equipo puede ordenar y seleccionar imágenes de entre 20.000 ejemplos más rápido que cualquier programa corriendo en un datacenter de Google hoy día.

Fuente:  muycomputer.com

Los físicos crean el circuito básico de la computación cuántica

La informática cuántica representa un nuevo paradigma en el tratamiento de la información que puede complementar los equipos clásicos.  Gran parte del vertiginoso ritmo de aumento de la potencia de computación tradicional ha llegado al reducir el tamaño de los transistores y acumularlos más y más firmemente en los chips – una tendencia que no puede continuar indefinidamente.

«En algún momento se ha de llegar al límite en los transistores que componen un circuito electrónico,  es un átomo, y luego ya no se puede predecir cómo el transistor trabajará con métodos clásicos», explica el profesor de física en UW-Madison,  Mark Saffman. «Usted tiene que usar la física que describe los átomos – la mecánica cuántica.»

En ese momento, dice, «usted abre posibilidades completamente nuevas para procesar la información. Hay algunos problemas de cálculo … que pueden ser resueltos de manera exponencial más rápidamente en un ordenador cuántico que en cualquier ordenador clásico».

Con su colaborador el profesor de física Thad Walker, Saffman  ha utilizado con éxito los átomos neutros para crear lo que se conoce como una puerta NOT (CNOT), un tipo básico de circuito que será un elemento esencial de cualquier ordenador cuántico. Como se describe en la edición del 8 de enero de 2010 de la revista Physical Review Letters, el trabajo es la primera demostración de una puerta cuántica entre dos átomos sin carga.

El uso de átomos neutros en lugar de iones cargados u otros materiales se distingue   de trabajos anteriores. «El estándar de oro actual en la computación cuántica experimental ha sido establecido por los iones atrapados … La gente actualmente puede ejecutar pequeños programas con hasta ocho iones en las trampas», dice Saffman.

Sin embargo, para ser útil para aplicaciones informáticas, los sistemas deben contener suficientes bits cuánticos o qubits, ser capaces de ejecutar programas largos y manejar  cálculos más complejos. Un sistema basado en iones presenta retos para la ampliación porque los iones son altamente interactivos con los demás y su entorno, haciendo que sea difícil de controlar.

«Los átomos neutros tienen la ventaja de que, en su estado fundamental no hablan el uno al otro, por lo que puede poner más de ellos en una pequeña región sin tener que interactuar entre sí y causar problemas», dice Saffman. «Este es un paso adelante hacia la creación de sistemas más grandes.»

El equipo utilizó una combinación de láser, frío extremo (una fracción de grado sobre el cero absoluto), y un vacío de gran alcance para inmovilizar a dos átomos de rubidio en la «trampa óptica». Utilizaron otro láser para excitar los átomos a un estado de alta energía para crear la puerta cuántica CNOT entre los dos átomos, llegando también a una propiedad llamada entrelazado,  que están vinculados los estados de los dos átomos de modo que midiendo uno proporciona información acerca del otro.

Escribiendo en el mismo número de la revista, otro equipo también con átomos neutros entrelazados, pero sin la puerta CNOT. La creación de la puerta es ventajosa porque permite un mayor control sobre los estados de los átomos, Saffman dice, así como demostrar un aspecto fundamental de un ordenador cuántico.

El grupo de Wisconsin está trabajando hacia matrices de hasta 50 átomos para poner a prueba la viabilidad del escalado de sus métodos. También están buscando la manera de vincular los qubits almacenados en átomos con qubits almacenados en luz con una visión hacia el futuro de las aplicaciones de comunicación, tales como «internet cuántica.»

Este trabajo fue financiado por becas de la National Science Foundation, la Oficina de Investigación del Ejército y la Intelligence Advanced Research Projects Agency.

Fuente: ScienceDaily

El ordenador cuántico puede tardar 50 años en desarrollarse

Entrevista a Juan Ignacio Cirac

Trabaja entre láseres y complicadas lentes. A sus 44 años ya tiene el Príncipe de Asturias y se dice que será el primer Nobel español de Física. Incluso la ministra Garmendia lo ha vaticinado. Con asombrosa modestia, asegura que lo que le motiva es la investigación diaria.

Sólo unas decenas de científicos comprenden el alcance de la investigación de Juan Ignacio Cirac. Este físico español es el director del Instituto Max-Planck de Óptica Cuántica en Garching (Alemania). Buena parte de su tiempo lo dedica a construir los primeros prototipos del ordenador del futuro.

Pregunta. ¿Qué es la computación cuántica?
Respuesta. Es una rama nueva de la ciencia que intenta aplicar al cálculo con ordenadores las leyes de la física cuántica, que gobierna el mundo microscópico. Los ordenadores actuales funcionan basados en las leyes de la física clásica. Queremos fabricar ordenadores que puedan hacer cosas más potentes, más rápidas, más eficientes y más seguras.

P. ¿Qué propiedades tendrá este ordenador?
R. Todavía no lo sabemos. En la mayoría de los servicios personales, los ordenadores actuales ya son completos. Entonces, un ordenador cuántico, por el hecho de ir más rápido, tampoco cambiaría nuestras vidas. En cambio, esta tecnología puede ser relevante para los ordenadores de supercomputación, máquinas de grandes dimensiones que hacen cálculos muy complicados.

P. Una de las ventajas de este tipo de ordenadores es que los piratas informáticos no tendrán alternativa…
R. Podemos hacer que dos partículas intercambien información sin que pase por ningún sitio, sin que se envíe nada de una a otra. La física cuántica permite que la información desaparezca de un sitio y aparezca en otro sin pasar por en medio. Por ejemplo, los hackers que estén mirando un correo electrónico no podrán hacer nada.

P. ¿Y se podrán proteger los mensajes?
R. Claro. Como no pasa información de un sitio a otro se podrán encriptar.

P. ¿Existe algún calendario para comercializar estos sistemas?
R. Algunas empresas empiezan a vender sistemas de comunicación segura para cortas distancias. Pero su éxito también requiere tiempo, porque los equipos son muy caros y no existe una necesidad aún para ellos. Hasta que no tengamos la nueva generación de ordenadores cuánticos las criptografías que utilizamos actualmente ya son suficientes. Con todo, hay empresas que venden sistemas criptográficos cuánticos, sistemas de generador con números aleatorios, cosas de este estilo. En cualquier caso, los ordenadores cuánticos tardarán mucho tiempo en desarrollarse, dependiendo de la tecnología. Pueden incluso tardar 50 años. Pero a los que hacemos investigación básica las aplicaciones no nos preocupan, porque la historia siempre ha dicho que lo que habíamos imaginado como aplicación más importante al final es residual.

P. ¿El Premio Nobel es un objetivo?
R. Me siento muy honrado de que la gente hable de esto, pero la verdad es que no es realista. Los criterios que se fijan para dar el Premio Nobel son que la investigación haya tenido un impacto social importante, como el descubrimiento del origen del Universo, o algo así. Yo creo que mi trabajo y el de otros científicos de mi campo está teniendo un impacto exclusivamente científico, por lo que no es tiempo de hablar de Nobel.

Fuente: MADRID+D

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Enlaces relacionados:

El fí­sico español Cirac gana el Príncipe de Asturias de Investigación Científica

Nuevo material que supone avance en la computación cuántica

Habrá ordenadores portátiles con coprocesadores cuánticos a temperatura ambiente algún día

Dibujo20090510_optically_controlled_quantum_qubits_on_doped_silicon

¿Algún día habrá ordenadores cuánticos a temperatura ambiente en todos los ordenadores portátiles? Depende del experto que consultes te dirá una cosa o te dirá otra. La computación cuántica en estado sólido y a temperatura ambiente parece más una utopía que una realidad. Marshall Stoneham del University College de Londres opina que, aunque a temperatura ambiente ya se han fabricado dispositivos cuántidos de 2 o 3 cubits, parece casi imposible fabricar uno de más de 20 cubits. Sin embargo, a la temperatura del nitrógeno líquido, digamos 77 ºK, habrá ordenadores cuánticos con un buen número de cubits en unas décadas. A la temperatura del hielo seco, digamos 195 ºK, parece razonable que también los haya. A temperaturas alcanzables termoeléctrica o termomagnéticamente, como 260 ºK, todo es más difícil y la esperanza se va diluyendo. Stoneham es profesor emérito. Por su edad carece de la esperanza de los más jóvenes. Físicos que se doctorarán en computación cuántica verán con ojos muy diferentes lo que para ellos será el presente en computación cuántica dentro de unas décadas. Stoneham nos lo cuenta en ”Is a room-temperature, solid-state quantum computer mere fantasy?,” Physics 2: 34, April 27, 2009 .

Stoneham nos propone dos posibilidades, solo comentaré la primera (ilustrada en la figura) desarrollada por Andrew Fisher, Thornton Greenland y él mismo, basada en espintrónica controlada ópticamente (”Optically driven silicon-based quantum gates with potential for high-temperature operation,” J. Phys.: Condens. Matter 15: L447-L451, 2003 , y R. Rodriquez et al., “Avoiding entanglement loss when two-qubit quantum gates are controlled by electronic excitation,” J. Phys.: Condens. Matter 16: 2757-2772, 2004. Se toma una película delgada de silicio de unos 10 nanómetros de grosor, isotópicamente pura (para evitar espines nucleares), sobre un substrato óxido. Se dopa el silicio aleatoriamente con átomos de dos especies dadoras de electrones, una serán los cubits (verde en la figura), la otra controlará a los cubits (rojo en la figura). En el estado fundamental, ambas especies interactúan muy débilmente (sus funciones de onda está muy localizadas como muestra la figura). Cuando un átomo de control es excitado, el área de interacción de su función de onda crece. Si logra interactuar con dos átomos que actúan de cubits logra que se entrelacen entre sí (ilustrado en la figura con una función de onda común a los 3 átomos dopantes). Este sistema cuántico se puede controlar ópticamente utilizando luz láser de diferentes frecuencias. La técnica permite entrelazar a pares hasta 20 cubits sin dificultad. Eligiendo adecuadamente los dopantes se puede lograr que funcione a temperatura ambiente. Sin embargo, su escalabilidad todavía es un problema (20 cubits son demasiado pocos para poder computar algo de interés práctico).

Fuente:Francis (th)E mule Science’s News

Realizan la primera computación cuántica

Un equipo internacional de científicos consigue realizar el primer cálculo matemático, consistente en una factorización de un número pequeño, utilizando un computador cuántico elemental. Esto representa un paso importante en la consecución del computador cuántico.

Investigadores de University of Queensland (Australia) y de University of Toronto (Canadá) afirman haber manipulado fotones entrelazados cuánticamente para calcular los factores primos de 15, es decir, los números primos (sólo divisibles por ellos mismos y por la unidad) que dividen a 15, y que en este caso son 3 y 5.

Según Andrew White (del equipo australiano), aunque la respuesta a este problema puede ser obtenida de una manera mucho más fácil por un niño de ocho años, conforme el número se hace más grande el problema se hace mucho más difícil.
Calcular los factores primos no sólo es difícil para cualquier humano, sino que también lo es para cualquier computadora. Precisamente, esta dificultad inherente de factorizar números muy grandes es en la que están basados los sistemas de encriptado o cifrado (RSA) que usamos cuando hacemos compras por Internet o consultamos nuestro saldo en el banco con el ordenador.

Calcular la factorización de 15 es un paso crucial en el objetivo de poder factorizar en el futuro números más grandes mediante computación cuántica, y que ahora son invulnerables usando ordenadores convencionales. La meta de estos investigadores es demostrar que se puede quebrar, en la práctica, el cifrado RSA, y que así haya motivación por encontrar sistemas aún más seguros (se está pensando precisamente en sistemas cuántico de cifrado).
Si usamos un ordenador o computadora clásica podemos representar un problema y resolverlo mediante bits de información. Los bits del un sistema binario tradicional sólo pueden valer o bien 0 ó bien 1.

Por otro lado, en los ordenadores cuánticos, se tienen qbits o cubits que pueden adoptar varios valores simultáneos, como por ejemplo un valor de 0 y 1 simultáneo, que sería una superposición cuántica de esos dos estados. Serían como los “gatos de Schrödinger” más simples posibles. El 0 y el 1 físicamente se corresponderían, por ejemplo, con el spin de un electrón o la polarización de un fotón.

Un cubit puede estar en dos estados a la vez, dos cubits (dos partículas entrelazadas) pueden adoptar cuatro estados (2×2) a la vez, tres cubits (tres partículas entrelazadas) ocho (2×2×2) y así sucesivamente. De este modo la memoria basada en cubits crece exponencialmente con el número de elementos (cubits). Estos cubits serían además procesados simultáneamente de una tacada, en algo similar a un procesado en paralelo.
Para un número de cubits pequeño casi no hay diferencia con los bits tradicionales (que carecen de esta capacidad de “hacer cosas a la vez”), pero con muchas partículas la diferencia sería abrumadora. En un hipotético futuro, si se consiguen suficientes partículas actuando como cubits, se podrían abordar problemas matemáticos (como el de la factorización de números grandes) que son inatacables con la computación convencional. Algunos problemas serían resueltos en minutos en lugar de en años.

Todavía es aventurado pensar de qué manera podría cambiar el mundo con el advenimiento de esta hipotética tecnología futura. Pero para que esto ocurra antes ha de ser posible conseguir mantener la coherencia cuántica de muchas partículas. Conforme se aumenta el número de éstas es más difícil controlar el sistema, la decoherencia cuántica hace su aparición en escena, la función de ondas de los cubits colapsa a uno de todos los posibles estados y la posibilidad de efectuar cómputos cuánticos desaparece. Esta propiedad de decoherencia es precisamente la que generalmente se invoca para explicar por qué el mundo macroscópico (formado por muchas partículas) no exhibe las extrañas propiedades cuánticas del mundo microscópico (pocas partículas). La destrucción de la superposición cuántica se da según las partículas interaccionan con el entorno. A más partículas en el sistema más difícil es evitar la decoherencia.
Para implementar los computadores cuánticos elementales se usan generalmente iones, electrones u otro tipo de partículas (fotones de luz en el caso aquí relatado), que son difíciles de manejar y requieren grandes instalaciones. La implementación de un sistema de estado sólido que permitiera este tipo de cómputo cuántico sería un gran logro y permitiría su comercialización.

Pero, de momento, nos tenemos que conformar con la factorización de 15.

Fuentes y Referencias:
University of Queensland
http://arxiv.org/abs/0705.1398
Physical Review Letters (en prensa).

Fuente: Neofronteras

Enlace relacionado: Nuevo material que supone avance en la computación cuántica

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