Computación cuántica: un acercamiento a la naturaleza

Computación cuántica: un acercamiento a la naturaleza

1.1 Introducción

Los computadores han sido uno de los grandes desarrollos de la humanidad, nos permitieron llegar a la Luna, nos permiten estar conectados con personas a cientos de kilómetros de distancia, facilitan tareas de cálculo y nos permiten almacenar una cantidad inmensurable de información, en las últimas décadas los ordenadores han permitido realizar simulaciones de distintos sistemas presentes en la naturaleza, sin embargo, a medida que se acerca al mundo cuántico los ordenadores clásicos comienzan a presentar fallas al hacer simulaciones realistas de sistemas cuánticos,lo cual complica llegar a entender las propiedades y comportamiento de esos sistemas como las moléculas, por lo tanto los ordenadores cuánticos serán una herramienta que permitirá comprender mejor la naturaleza.

1.2 Funcionamiento de un ordenador cuántico

Un ordenador cuántico es aquel que usa los principios establecidos en la física cuántica  para poder aumentar la eficiencia y el poder de procesamiento de información comparado a un ordenador clásico.La unidad fundamental de informacion es el qubit análogo al bit que partiendo de una visión clásica presenta dos estados fundamentales representados matemáticamente como 0 y 1 siendo dichos estados intrínsecos. Por otro lado en la computación cuántica esta característica cambia radicalmente ya que el qubit a pesar de poderse expresar en ambos estados fundamentales también tiene un sin fin de estados intermedios entre los ya mencionados 1 y 0, debido al principio de superposición el qubit sin ser medido presenta todos los estados posibles al mismo tiempo y una vez  medido  alcanza uno de los estados de forma aleatoria teniendo un gran espectro probabilístico, siendo este fenómeno explicado en términos matemáticos como el colapso de la función de onda en un vector de estado al cual se le asigna un valor probabilístico específico y partiendo de este hecho, se podría predecir en cuál de los estados es más probable que se exprese el qubit, brindando una amplia gama de combinaciones posibles comparadas a las combinaciones generadas por una unidad de información tradicional. Pero si se busca que esto se cumpla hay un propiedad fundamental para el funcionamiento de estos ordenadores, que es el entrelazamiento, esta propiedad consiste en que cuando tengo dos o más partículas cuánticas sus estados no son independientes sino que están conectados por lo cual a la hora de medir una partícula A también estoy afectando la partícula B porque sus estados están superpuestos. Y esto es necesario que lo tengas los Qubits para su funcionamiento y tengan un crecimiento exponencial en cuanto a potencia.

Además, cabe agregar que el funcionamiento sufre cambios a la hora de procesar información ya que los ordenadores clásicos usan una serie de puertas lógicas para poder desempeñar tareas satisfactoriamente, mientras que en los ordenadores cuánticos estas puertas lógicas sufren cambios drásticos ya que estas puertas además de estar superpuestas se formulan con una serie de operaciones matriciales que son más complejas a medida de que le añadimos unidades de información al sistema.

Por todo lo anteriormente dicho la computación cuántica termina siendo mucho más eficiente que su análogo clásico ya que por este estado de superposición la rapidez de procesamiento de información es mucho más alta, hasta tal punto de que se pueden realizar millones de operaciones en una fracción de segundo, comparado con la gran cantidad de tiempo que le toma a un ordenador clásico en llevar a cabo la misma operación, un ejemplo de esto es el hallar números primos muy grandes, un ordenador clásico podría tardar años en encontrar un número de esta clase con un amplio número de cifras, mientras que el ordenador cuántico expresa todos los posibles estados con todas las cifras posibles (dependiendo del tamaño del qubit) y en una fracción de segundo propone un número, con una probabilidad asignada de cumplir la condición  que se requirió en este ejemplo.

Con la información anterior nace la pregunta ¿cuáles son las aplicaciones que puede tener la computación cuántica? para responder esta pregunta se debe hacer la aclaración de que los ordenadores cuánticos no van a reemplazar a los ordenadores clásicos , primero por cuestiones costo y segundo porque aún se está en una etapa de desarrollo muy temprana para hacer esta afirmación, teniendo esto claro se puede proseguir a responder la pregunta, una aplicación  muy prometedora es la mejora del machine learning  o aprendizaje automático, esta tecnología ya existe hoy en día, sin embargo presenta limitaciones por la cantidad de información que debe recopilar el robot o bot que está aprendiendo, por lo tanto hoy en día se usa para tareas muy específicas. Otra aplicación es la encriptación de información, gracias a que los qubits presentan un estado de indeterminación se puede saber cuando son medidos, es decir son observados y esto provoca que se sepa si alguien más ha mirado la información enviada, abriendo un mundo de posibilidades para la seguridad informática y su encriptación.

Una de las aplicaciones que pueden llegar a ser más revolucionaria es en la química cuántica, esta rama de la química se encarga de estudiar moléculas y átomos a partir de los principios de la física cuántica, gracias a esto se puede estudiar el comportamiento y propiedades de dichos átomos y moléculas, los ordenadores clásicos tienen limitantes en este campo porque a medida que la molécula se hacen más y más complejas se requieren cálculos más difíciles que con los ordenadores más potentes de hoy en día no se  pueden hacer, por lo tanto esto abre un campo de gran interés tanto en el desarrollo de materiales como la creación de fármacos, nos llevará a un entendimiento mejor de la naturaleza, y en el sector de investigación ahorraría costos ya que no sería necesario probar las propiedades de esas moléculas teóricas, porque su simulación tendría una gran exactitud. y solo sería necesaria su síntesis.

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