Computación Cuántica, óptica y biomolecular

Índice

Índice        I

Índice de Figuras        I

Introducción        1

Contenido        2

1. Computación cuántica        2

1.1 Bases de una computadora cuántica        2

1.2 Computadora cuántica IBM Q System One        4

2. Computación óptica        5

2.1 Que es una computadora óptica        5

3. Computación Biomolecular        6

3.1 Propiedades computacionales estructurales del ADN        6

3.2 El ADN como estructura única de datos        6

3.3 El ADN comparado con los componentes de silicio        7

3.4 Ventajas y desventajas de la computación con ADN        8

Conclusión        9

Bibliografía        10

Índice de Figuras

Ilustración 1 What makes it ‘quantum’?        2

Ilustración 2 Construcción de los IBM Q System One en cajas de cristal herméticas.        4

Ilustración 3 Interior del IBM Q System One.        4

Ilustración 4 Leonard Adleman con su computadora basada en ADN.        7

Introducción

Actualmente las computadoras se han vuelto herramientas que forman parte de nuestra vida cotidiana. Ya no solo están presentes en universidades, oficinas y laboratorios, sino que en la mayoría de las casas hay presente una computadora, mas precisamente hoy en día la mayoría trae un teléfono celular en el bolsillo.

Las computadoras modernas nos permiten almacenar nuestros datos, comunicarnos con otras personas, grabar y tomar fotografías, etc., sin embargo, el propósito original de estas es el realizar cálculos; y por el gran avance tecnológico de hoy en día, con el aumento de la velocidad y la potencia de las mismas, se podría pensar que no hay límites, sin embargo, si que estamos alcanzando el punto donde comienzan a verse los limites de este desarrollo exponencial, lo que nos lleva a buscar otras maneras de realizar la computación, en este documento veremos tres de estas propuestas, la computación cuántica, basada en los cuantos, la computación óptica, basada en fotones de la luz, y la computación biomolecular, basada en el ADN.

Contenido

1. Computación cuántica

1.1 Bases de una computadora cuántica

A principios del siglo XX, Planck y Einstein proponen que la luz no es una onda continua, sino que está dividida en pequeños paquetes o cuantos.

“Cuanto: Cantidad indivisible de energía, proporcional a la frecuencia del campo al que se asocia.” (RAE)

Es decir, una cantidad discreta más pequeña de energía que puede ser absorbida, propagada o emitida por la materia.

Pero a lo largo de los años, otros físicos fueron desarrollándola y llegando a conclusiones sorprendentes sobre la materia, de las cuales interesarán dos: la superposición de estados y el entrelazamiento.

Para entender la importancia de estas dos conclusiones debemos comprender el funcionamiento de las computadoras “clásicas”. La unidad básica de información es el bit, que puede tener dos estados posibles (1 o 0) y con los que podemos realizar varias operaciones lógicas. Juntando n bits podemos representar números y operar sobre esos números, pero con limitaciones: sólo podemos representar hasta 2n estados distintos, y si queremos cambiar x bits tenemos que realizar al menos x operaciones sobre ellos, en otras palabras, no hay forma de cambiarlos sin tocarlos.

Por lo tanto, la superposición y el entrelazamiento nos permiten reducir esas limitaciones: con la superposición podemos almacenar muchos más que sólo 2n estados con n bits cuánticos (qubits), y el entrelazamiento mantiene fijas ciertas relaciones entre qubits de tal forma que las operaciones en un qubit afectan forzosamente al resto. [pic 3][pic 4]

Sin embargo, con respecto a la superposición, tal y como demostraba Alexander Holevo en 1973, aunque tengamos muchos más estados que podemos guardar en n qubits, en la práctica sólo podemos leer 2n distintos. En base a la computación cuántica, un qubit no vale sólo 1 o 0 como un bit normal, sino que puede ser un 1 en un 80% y un 0 en un 20%. El problema es que cuando lo leemos sólo podemos obtener 1 o 0, y las probabilidades que tenía cada valor de salir se pierden porque al medirlo lo hemos modificado.

Esa discrepancia entre la información que guardan los qubits y la que podemos leer nosotros llevaba a Benioff y a Feynman a demostrar que un ordenador clásico no sería capaz de simular un sistema cuántico sin una cantidad desproporcionada de recursos, y a proponer modelos para un ordenador cuántico que sí fuese capaz de hacer esa simulación.

Esos ordenadores cuánticos probablemente no serían más que una curiosidad científica sin el segundo concepto, el entrelazamiento, que permite desarrollar dos algoritmos bastante relevantes: el temple cuántico en 1989 y el algoritmo de Shor en 1994. El primero permite encontrar valores mínimos de funciones, el cual tiene aplicaciones en inteligencia artificial y aprendizaje automático. Por ejemplo, si conseguimos codificar la tasa de error de una red neuronal como una función a la que podamos aplicar temple cuántico, ese valor mínimo nos dirá cómo configurar la red neuronal para que sea lo más eficiente posible.

El segundo algoritmo, el algoritmo de Shor, nos sirve para descomponer un número en sus factores primos de manera mucho más eficiente que lo que podamos lograr en un ordenador normal. Esto podría tener poco interés a simple vista, sin embargo, el RSA (Rivest, Shamir y Adleman, desarrollado en 1979), uno de los algoritmos más usados para proteger y cifrar datos en Internet, se basa en factorizar números en factores primos muy grandes, por lo tanto, un ordenador cuántico con suficientes qubits dejaría completamente obsoletos este y muchos sistemas más de cifrado.

1.2 Computadora cuántica IBM Q System One

Durante el CES 2019, IBM ha presentado su primer ordenador cuántico para uso comercial. El primero que podrán vender a empresas y disponible como producto definitivo. De la gama IBM Q, el System One combina tanto computación cuántica como "tradicional" para ofrecer un sistema de 20 qubits que utilizar en investigaciones y grandes cálculos.

IBM asegura que es el primer ordenador cuántico capaz de operar fuera de un laboratorio de investigación. Para ello han tenido que superar uno de los principales problemas de los ordenadores cuánticos, la estabilidad y el mantenimiento de las condiciones óptimas en el entorno. [pic 5][pic 6]

Similar a lo que ocurría con los primeros ordenadores de IBM que ocupaban habitaciones enteras, el IBM Q System One también necesita de un espacio importante. El diseño se trata de una especie de cubo de cristal sellado, de 2.7 metros aproximadamente, en el que opera el ordenador de forma hermética para evitar interferencias con el exterior.

IBM indica que ha trabajado con diseñadores industriales, arquitectos y científicos para conseguir este diseño hermético para el ordenador. Por ejemplo, parte del diseño es obra de Goppion, una empresa que fabrica vitrinas para museos y protege algunas de las obras de arte más conocidas del mundo. Todo esto para solucionar el principal problema, que es conseguir un ambiente aislado donde pueda funcionar el ordenador. Normalmente funcionan a temperaturas de cero absoluto, es decir, -273 ºC. A esto hay que sumarle la necesidad de evitar las interferencias externas ya que los qubits no son precisamente estables. [pic 7][pic 8]

2. Computación óptica

2.1 Que es una computadora óptica

Computación óptica es un término que se refiere al uso de tecnologías basadas en la manipulación de la luz, en vez de electricidad, para realizar tareas de cómputo y de manejo de información. El concepto ha sido reconocido como una rama de la óptica desde la década de 1950; sin embargo, algunos señalan a Foucault, con su famosa prueba para medir espejos esféricos, ideada en 1859, como el primer precursor en este campo.

Un procesador óptico nos permitiría, en teoría, realizar varios cálculos simultáneamente, en contraste con nuestras computadoras actuales, en las que todas las operaciones se hacen de forma serial, es decir, que una operación en una computadora no comienza hasta que haya finalizado la anterior. Inclusive en una computadora multiprocesador, cada procesador funciona de manera serial, lo que limita la cantidad de operaciones realmente simultáneas al número de procesadores disponibles, y genera problemas de comunicación entre estos últimos.

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