Computadora Cuántica

Facultad de Ingeniería en Sistemas, Electrónica e Industrial.

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO.

GERARDO BAYAS CARRERA DE ELECTRÓNICA Y COMUNICACIONES UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO Av. Los Chasquis, Ambato, Ecuador.

TEORIA ELECTROMAGNÉTICA

COMPUTADOR CUÁNTICO RESUMEN En este informe se tratara de los computadores cuánticos. Un computador Cuántico realiza las operaciones en bits cuánticos, llamados qubits. Un qubit al igual que un bit clásico puede estar en dos estados, cero o uno. El qubit se diferencia del bit clásico en que, debido a las propiedades de la mecánica cuántica, puede estar simultáneamente en ambos estados. Un qubit que contiene los valores cero y uno a la vez se dice que está en superposición de los estados cero y uno. Este estado de superposición es persistente hasta que el qubit es externamente medido. Al medir un qubit, su estado se ve forzado a tomar un solo valor. Porque la medición determina el valor del qubis, los posibles estados que existen deben describirse antes de realizar la medición en términos de su probabilidad de ocurrencia. In this report they were quantum computers. A quantum computer performs operations on quantum bits, called qubits. A qubit as a classical bit can be in two states, zero or one. The qubit is different from classical bit in that due to the properties of quantum mechanics can be simultaneously in both states. A qubit containing zero values and one at a time is said to be in overlapping states zero and one. This superposition state is persistent until the qubit is measured externally. When measuring a qubit, the state is forced to take a single value. Because the measurement determines the value of qubis, the possible states that there should be described before the measurement in terms of their probability of occurrence. PALABRAS CLAVES

FACULTAD DE INGENIERIA EN SISTEMAS, ELECTRONICA E INDUSTRIAL

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO

F . I . S . E E. INDUSTRIAL I FACULTAD DE INGENIERÍA EN SISTEMAS, ELECTRÓNICA PERÍODO ACADÉMICO: OCTUBRE/2014– FEBRERO/2015

Computador, bit, trama, qubit, circuito, cuántica.

I.

INTRODUCCIÓN

A lo largo del último medio siglo, las computadoras han ido duplicando su velocidad cada dos años, al tiempo que el tamaño de sus componentes se reducía a la mitad. Los circuitos actuales contienen transistores y líneas de conducción cuya anchura es sólo una centésima parte de la de un cabello humano. Las máquinas de nuestros días son millones de veces más potentes que sus rudimentarios antepasados a causa de tan explosivo progreso.

Figura1.Circuito de un computador cuántico.

A. COMPUTACIÓN CUÁNTICA En la computación cuántica, a diferencia de la computación actual donde cada bit puede estar en un estado discreto y alternativo a la vez, la unidad fundamental de almacenamiento es el qubit (bit cuántico), donde cada qubit puede tener múltiples estados simultáneamente en un instante determinado, reduciendo así el tiempo de ejecución de algunos

algoritmos de miles de años a segundos. La computación cuántica está basada en las interacciones del mundo atómico, y tiene elementos como el bit cuántico, las compuertas cuánticas, los estados confusos, la teleportación cuántica, el paralelismo cuántico, y la criptografía cuántica. Una arquitectura cuántica, muy aceptada entre los investigadores y orientada a ser compatible con las actuales arquitecturas, cuenta con memoria y una unidad de procesamiento aritmético/lógico, y con elementos cuánticos como la teletransportadora de código y el planificador dinámico.

B. FUNDAMENTOS COMPUTACIÓN CUÁNTICA.

DE

LA

En la computación tradicional, un bit es la mínima unidad de información. Para representarlo se utiliza la ausencia o la presencia de miles de millones de electrones en un diminuto transistor de silicio. La computación cuántica pretende utilizar un principio básico de la mecánica cuántica por el cual todas las partículas subatómicas (protones, neutrones, electrones, etc.) Tienen una propiedad asociada llamada spin. El spin se asocia con el movimiento de rotación de la




partícula alrededor de un eje. Esta rotación puede ser realizada en un sentido, o el opuesto. Si por ejemplo tomamos como bit al spin de un protón, podemos usar una dirección como 1 y otra como 0. Estos bits, tomados a partir del spin de las partículas son los que han recibido el nombre de qubits (bits cuánticos).

C. ELEMENTO BASICS DE LA COMPUTACIÓN CUÁNTICA. El bit cuántico "qubit" Un qubit (del inglés qubit, de quantum bit) es un estado cuántico en un espacio vectorial complejo bidimensional. Un qubit es la unidad mínima de información cuántica. Sus dos estados básicos se llaman, convencionalmente, |0> y |1> (se pronuncian: ket cero y ket uno). Un estado qubital puro es una superposición cuántica de esos dos estados. Esto es significativamente distinto al estado de un bit clásico, que puede asumir solamente un valor 0 ó 1.

cantidad exponencial de datos, y realizar un número exponencial de operaciones usando recursos polinomiales. Este paralelismo cuántico no es fácil de aprovechar. Sin embargo, unos algoritmos cuánticos descubiertos en 1993 (Algoritmo de Shor) han creado un interés en el potencial de las computadoras cuánticas. La construcción de un computador cuántico funcional a opuesto una resistencia diabólica. El problema estriba en que cualquier interacción que un sistema cuántico tenga con su entorno, piénsese en el choque de un átomo contra otro o contra un fotón errante, constituye una medición. La superposición de estados mecánicos cuánticos se resuelve en un solo estado bien definido; y éste es el que el observador detecta. Dicho fenómeno de descoherencia, así se llama, imposibilita cualquier cálculo cuántico. Al objeto de mantener, pues, la coherencia, las operaciones internas de un computador cuántico deben separarse de su entorno. Más, a la vez, han de ser accesibles para que puedan cargarse, ejecutarse y leerse los cálculos.

D. COMPUTADOR CUÁNTICO. Un Computador Cuántico es un nuevo dispositivo fantástico que puede resolver ciertos problemas importantes muy eficazmente. Un computador cuántico proporciona paralelismo masivo aprovechando la naturaleza exponencial de la mecánica cuántica. Un computador cuántico puede almacenar una

Figura2.Diagrama del bobinado para la construcción.

Pese a todo, no será fácil conseguir un computador cuántico cuyas proporciones le permitan competir




con los más rápidos de los clásicos. Pero el reto merece la pena. Los computadores cuánticos, por modestos que sean, se convertirán en soberbios laboratorios naturales donde poder estudiar la mecánica cuántica. Con semejantes dispositivos y la ejecución de un programa adecuado, podrán abordarse otros sistemas cuánticos que revisten interés fundamental. Por ironía de las cosas, los computadores cuánticos podrían ayudar a científicos e ingenieros en la resolución de los problemas que se les plantean en la creación de microcircuitos ínfimos con transistores mínimos; muestran éstos un comportamiento mecánico cuántico cuando la reducción de su tamaño llega al límite de las posibilidades. Una definición acerca de las computadoras cuánticas, ampliamente aceptada por los investigadores, la concibe como un sistema de circuitos cuánticos, actuando en un espacio de estados. El circuito es una secuencia de transformaciones unitarias seguido por una medición. Esas transformaciones, son llamadas compuertas cuánticas, y son controladas por una computadora clásica. Así esto permite la superposición simultánea de estados básicos (correspondientes a estados clásicos "0" y "1"). Los investigadores afirman que en la computación cuántica se usarán los principios de la mecánica cuántica, para realizar cálculos complejos en una fracción del tiempo necesario hoy en día en los superordenadores más veloces.

A medida que avanza la teoría al respecto, los expertos van proponiendo avances que permitirán que esta idea se haga realidad. Bajo estas líneas se propone un circuito realizable de forma experimental y una manera eficiente de implementar una computación cuántica escalable. Software Cuántico Un conjunto apropiado de puertas, algoritmos que aprovechen el comportamiento cuántico y disponer de métodos apropiados para controlar los posibles errores. 1- Una forma de obtener puertas cuánticas es la cuantización de las puertas clásicas, que pasa por reinterpretar los bits como qubits. Se puede demostrar que el conjunto de puertas cuánticas que afectan a un sólo qubit, conjuntamente con las puertas llamadas control-not (que afectan a dos qubits), forman un conjunto universal con las que se puede construir cualquier programa cuántico. 2- A pesar del esfuerzo que se ha dedicado a la obtención de algoritmos que aprovechen el comportamiento cuántico, en la actualidad, su número es reducido. Ya se ha mencionado que aunque mediante superposiciones apropiadas, es posible manejar un número exponencial de estados, eso no supone que esta información esté disponible. Para acceder a esa información debemos medir sobre el estado colapsándolo, y la información se pierde casi en su totalidad.




Para aprovechar los aspectos cuánticos, debemos combinar la posibilidad del paralelismo cuántico con la interferencia.

definido una serie de condiciones que debe cumplir, conocida como la lista de Di Vinzenzo, y actualmente hay varios candidatos a qubits. b. Requisitos a cumplir:

3- Quizás es éste uno de los mayores problemas a la hora de construir un ordenador. Estos errores provienen de la inexorable interacción del ordenador con su entorno, proceso denominado decoherencia.

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Se pensó que no podían existir métodos para el control de errores cuánticos, pero se ha mostrado cómo es posible contener los errores mediante códigos cuánticos correctores de errores. Estos códigos, detectan y corrigen estos errores, usando sofisticadas técnicas cuánticas.

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El sistema ha de poder inicializarse, esto es, llevarse a un estado de partida conocido y controlado. Ha de ser posible hacer manipulaciones a los qubits de forma controlada, con un conjunto de operaciones que forme un conjunto niversal de puertas lógicas (para poder reproducir a cualquier otra puerta lógica posible). El sistema ha de mantener su coherencia cuántica a lo largo del experimento. Ha de poder leerse el estado final del sistema, tras el cálculo. El sistema ha de ser escalable: tiene que haber una forma definida de aumentar el número de qubits, para tratar con problemas de mayor coste computacional.

c. Candidatos a qubits: o Espines nucleares de moléculas en disolución, en un aparato de RMN. o Flujo eléctrico en SQUIDs. o Iones suspendidos en vacío. o Puntos cuánticos en superficies sólidas. o Imanes moleculares en micro-SQUIDs.

Figura3.Esquema del sistema cuántico.

Hardware cuántico a. Requerimientos implementación:

de

Aún no se ha resuelto el problema de qué hardware sería el ideal para la computación cuántica. Se ha

II.

PROCEDIMIENTO




Este informe me he basado en un método de investigación que abarca con complejidad a cada uno de los temas en mención, el método utilizado es el método científico. Podemos decir que este método de la investigación científica se define como la serie de pasos que conducen a la búsqueda de información para enriquecer los conocimientos del estudiante ya que se realizó una recolección de varios libros. Recopilada la información del los temas en discusión se puedo realizar un ordenamiento de datos, para aportar a la obtenciones de conocimientos. III. RESULTADOS La computación cuántica ha logrado evolucionar satisfactoriamente y tiene definidos sus fundamentos basados en la interacción subatómica y sus elementos como el bit cuántico, compuertas cuánticas, tele transportación de código. No obstante, no se ha logrado implementar una computadora cuántica que maneje todos los aspectos concernientes a la mecánica cuántica. Aun así, se tienen grandes avances como la definición de una arquitectura cuántica, ampliamente aceptada por los investigadores, la implementación de pequeños prototipos como la computadora de 5 bits cuánticos desarrollada por Steffen, y el desarrollo de tecnologías cuánticas comerciales. IV.

CONCLUSIONES

 De la investigación realizada se puede decir que los ordenadores cuánticos se basan en el uso de los qubits (bits cuánticos) en lugar de bits, y da lugar a nuevas puertas lógicas que hacen posibles nuevos algoritmos. 

Además de puede concluir que poseen una capacidad de cálculo muy superior a los computadores actuales gracias al paralelismo masivo (exponencial) debido a la superposición de estados en los qubit.

 Se concluye que la Computación Cuántica, presenta una alternativa al problema de la miniaturización, mostrando la manera de implementar Compuertas LógicoCuánticas, componentes esenciales para el diseño de una Computadora del Futuro.  Los Computadores Cuánticos poseen una Capacidad de cálculos Paralelos Naturales y Masivo en espacio y tiempo y encriptación de información.

V.

REFERENCIAS [1] Oskin, M., Chang, F., Chuang, I., "A Practical Architecture for Reliable Quantum omputers”. En:




http://feynman.media.mit.edu /ike/homepage/papers/ QCoskin-chong-chuangapractical-architecture-forreliable-quantum-computerscomputer-jan2002-vol35p79.pdf [5] Luque Jaime, Moraga Luís (2000). “El Computador Cuántico: ¿Historia de una Revolución Anunciada?”. En: http://www.ucentral.cl/pdf/co mputador.pdf [10] Baig, Maria. “Información cuántica”. En: http://www.cianciadigital.net/a bril2001/frame_opinion.html Velasco. 2013. Google y NASA abrirán un laboratorio de computación cuántica

Extraído de: http://alt1040.com/2013/05/in teligencia-artificial-basadaen-computacion-cuantica Sánchez Ángel. 2014. ¿Qué es la computación Cuántica? Extraído de: http://computadoras.about.co m/od/tipos-depc/fl/iquestQueacute-es-lacomputacioacutencuaacutentica.htm

Computadora Cuántica

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