jueves, 14 de septiembre de 2017

Algunas aclaraciones sobre la revolución cuántica

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Primero conviene aclarar algunos conceptos, pues noticias recientes publicadas en los medios de comunicación tienden más bien a fomentar la confusión.
·         Qubit: la unidad de información cuántica. Mientras la información clásica se expresa en bits, que pueden valer sólo 0 o 1, los qubits se forman por superposición (o combinación lineal) de dos estados cuánticos, |0> y |1> (por ejemplo, polarización horizontal o vertical de un fotón) y su valor es: α|0>+β|1>, donde α y β son dos números complejos que se llaman amplitudes de probabilidad.
·         Criptografía cuántica: Permite cifrar la información mediante un protocolo que aprovecha las propiedades cuánticas de la materia. Los procedimientos ideados hasta ahora pueden ser descifrados por adversarios que utilicen procedimientos cuánticos, pero se sabe (o se cree) que son imposibles de descifrar por medios clásicos. El primer protocolo de criptografía cuántica, BB84, fue propuesto en 1984 por Charles Bennett y Gilles Brassard, de IBM.
Diagrama de una teleportación cuántica
    ·     Teleportación cuántica: Transmisión a distancia por medios clásicos (a la velocidad de la luz) del estado cuántico de un átomo o fotón hasta otro átomo o fotón, previamente enredado con el anterior y posteriormente separado de él. No se transmite materia (el átomo o fotón) sino su estado cuántico (la distribución de los electrones, en el caso del átomo). Hasta ahora no ha podido realizarse con partículas mayores que un átomo (no con moléculas, por ejemplo). Permite transmitir un qubit de información desde una partícula o átomo a otro. Fue demostrada experimentalmente en 1998, y desde entonces la distancia de teleportación (la que separa las dos partículas entrelazadas) ha ido aumentando desde algunos metros, hasta centenares de kilómetros. En 2017 un experimento chino consiguió una teleportación a 1200 km de distancia, utilizando un satélite artificial como punto de llegada.
·         Computación cuántica: un nuevo tipo de computadora, que utiliza conceptos cuánticos como superposición y estados enredados para realizar cálculos. En la década de 1930, Alan Turing demostró que una computadora cuántica no puede resolver ningún problema que no pueda resolver una computadora ordinaria, aunque en teoría podría hacerlo más deprisa. Con la nomenclatura de Turing, esto se expresaría así: una máquina de Turing no determinista es equivalente a una máquina de Turing determinista, pues la primera puede simularse mediante la segunda, aunque posiblemente aumente el tiempo de ejecución. Hay cierta clase de problemas en los que la computación cuántica podría, en principio, acelerar el proceso de cómputo, pero eso no ocurre con todos. Algunos de esos problemas susceptibles de resolución acelerada por medio de un computador cuántico son NP-completos, o sea, que el tiempo necesario para resolverlos con un ordenador clásico crece exponencialmente en función del número de datos a analizar.
Anotemos algunos de los avances realizados en el campo de la computación cuántica:
         En 1994, el matemático Peter Shor, del MIT, ideó un algoritmo cuántico que permitiría descomponer un número entero en sus factores primos. Este problema es muy difícil, si el número que se desea descomponer es muy grande (por ejemplo, cientos de cifras). Es trivial, en cambio, si el número es pequeño, como mencioné en otro artículo. En 2001, un grupo de IBM dirigido por Isaac L. Chuang ejecutó el algoritmo de Shor en un computador cuántico de 7 qubits y consiguió descomponer 15 en sus factores primos (3 por 5). En 2012, un equipo de la Universidad de Bristol consiguió factorizar 21 (3 por 7), récord actual con el algoritmo de Shor. En 2012 se factorizó 143 (11 por 13) utilizando un algoritmo diferente (computación cuántica adiabática) con 4 qubits. En 2014, utilizando el mismo procedimiento, se factorizó 56153 (233 por 241), también con 4 qubits.
         En 1996, el informático Lov K. Grover ideó un algoritmo cuántico que permitiría encontrar un dato en una base de datos no indexada en un tiempo proporcional a la raíz cuadrada del número de datos a revisar. En un ordenador clásico, el tiempo medio de búsqueda es igual a la mitad del número de datos. Dado que la raíz cuadrada de un número crece mucho más despacio que su mitad, el procedimiento debería dar lugar a una aceleración en bases de datos grandes. En 1997 el algoritmo fue probado experimentalmente en un ordenador cuántico de cloroformo de dos qubits por Isaac L. Chuang de IBM, Neil A.Gershenfeld del MIT y Mark G.Kubinek de la Universidad de Berkeley, con una base de datos que contenía 4 datos diferentes. (En ese caso concreto, un computador cuántico no ofrece ventaja sobre uno clásico, pues la raíz cuadrada de cuatro es igual a la mitad de cuatro).
         En 2009 investigadores de la Universidad de Yale construyeron el primer procesador cuántico en estado sólido: un chip superconductor con dos qubits. Ese mismo año, otro equipo de la Universidad de Bristol construyó un chip de silicio que ejecutaba el algoritmo de Shor. En 2012 un equipo multinacional construyó un computador cuántico de dos qubits, hecho con diamante, que funciona a la temperatura ambiente. Este equipo ejecutó el algoritmo de Grover, obteniendo la respuesta correcta en el 95% de los casos. En 2016, IBM lanzó la IBM Quantum Experience, que permite utilizar su computadora cuántica superconductora de 5 qubits a través de de la web mundial. En 1917 IBM anunció que había conseguido construir prototipos de dos procesadores cuánticos nuevos, con 16 y 17 qubits, respectivamente.
         En septiembre de 2017 un grupo de investigadores australianos ha anunciado un nuevo procedimiento para construir largas cadenas de qubits sobre silicio utilizando átomos de fósforo. Se espera que el primer prototipo estará construido hacia 2022.    
Algunos investigadores creen que la computación cuántica podría ser realmente útil a partir de 50-100 qubits. La empresa D-Wave Systems ha anunciado dispositivos cuánticos comerciales con 128 y 512 qubits, pero estos no son realmente ordenadores cuánticos, sino quantum annealers, que utilizan técnicas diferentes. Empresas como Google y la NASA los están utilizando. Otro equipo estadounidense anunció en julio de 2017 que ha construido un dispositivo con 51 qubits, pero tampoco es un computador cuántico, sino un simulador cuántico, lo que significa que no puede programarse, sólo puede resolver una ecuación única.
Otro gran problema es la dificultad de mantener estable el valor de los qubits durante mucho tiempo (en la máquina de IBM, se mantiene menos de una diezmilésima de segundo). Si no se consigue, se introducen errores en los cálculos que harían poco fiables a las computadoras cuánticas. Algunos piensan que la corrección de esos errores exigirá multiplicar por 10, por 100 y hasta por 1000 el número de qubits. Una computadora cuántica con corrección de errores completa podría necesitar millones de qubits, lo que ahora mismo está muy lejos.
En definitiva: se van obteniendo avances, pero la utilización comercial de los ordenadores cuánticos propiamente dichos está aún bastante lejos. Por otra parte, a pesar de lo que dicen algunos, hasta ahora no se ha demostrado convincentemente que los ordenadores cuánticos proporcionen realmente aumentos espectaculares de velocidad al resolver algunos problemas concretos. En teoría es así, pero una cosa es la teoría y otra la práctica.


Manuel Alfonseca

4 comentarios:

  1. Hola Manuel. Según he leído la comunicación entre dos átomos entrelazados (lo que llamas teleportación cuántica) es instantánea. No a la velocidad de la luz, sino instantánea. Al menos eso me pareció entender. ¿Estoy en lo cierto?

    Interesante artículo. Una cosa es predicar y otra dar fruto.

    Saludos

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    1. Hay que distinguir dos cosas:

      a) Cuando se provoca un colapso cuántico en una partícula entrelazada con otra, la segunda colapsa instantáneamente en el estado correspondiente. Pero ahí no hay transmisión de información.

      b) En el experimento chino que estoy comentando, sí hubo transmisión de información (dos bits), que se realizó por medios clásicos (en la figura adjunta, donde dice "canal clásico") y por tanto a la velocidad de la luz.

      Para más información, mira aquí: https://es.wikipedia.org/wiki/Teleportaci%C3%B3n_cu%C3%A1ntica.

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  2. Tengo la sensación y la opinión, de que si bien los medios tienden a exagerar los logros actuales de la computación cuántica, tu por el contrario los tiendes a minimizar. De todas maneras, también coincido con Juan Carlos Llamazares, en que durante el entrelazamiento cuántico, está implícita la transferencia de información instantánea entre las partículas, ya que las partículas en sí mismas siguen caminos independientes, pero mantienen conjugados sus estados cuánticos (eso es transferencia de información).

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    1. No, Gonzalo, el colapso cuántico no supone trasferencia instantánea de información. Si dos partículas entrelazadas están separadas por 1000 km y yo mido el estado de una de ellas, ya sé en qué estado está la otra, pero la persona que está al lado de la otra partícula no sabe en qué estado está si yo no se lo digo, y no puedo hacerlo a velocidad mayor que la de la luz. A falta de eso, la otra persona tiene que medir la otra partícula para saber cómo está, en cuyo caso no hay transferencia de información.

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