¿Que es la Computación Cuántica?
¿Que es la Computación Cuántica? ¿Que son los Qubits? tienen que ver con la Computación Fotónica….. ¿Que está pasandaaa?.
Muchas dudas y un tema complejo, tratemos de desenmarañar esta madeja.
Cabe aclarar que estos avances solo afectarán de forma radical ciertas áreas de nuestro quehacer humano pero muchas otras seguirán por las rutas que conocemos.
Hice una serie de preguntas a Claude.ai y ChatGPT para tratar de entender la computación cuántica y los Qubits. Sigo con muchas dudas pero espero que esto abone al entendimiento de algo sumamente complejo pero que “pronto” veremos comercialmente en el cómputo moderno.
¿Qué son los Qubits? y ¿que son las computadoras cuánticas?
Puedes darme una breve y simple explicación de ¿que son los qbits? y otra de ¿que son las computadoras cuánticas?
Los qubits (quantum bits) son la unidad básica de información en la computación cuántica, similar a como los bits son la unidad básica en computadoras tradicionales. Mientras un bit normal solo puede estar en estado 0 o 1, un qubit puede estar en ambos estados simultáneamente gracias a un fenómeno llamado superposición cuántica.
Las computadoras cuánticas son máquinas que utilizan las propiedades de la mecánica cuántica (como la superposición y el entrelazamiento) para realizar cálculos. En lugar de procesar información usando bits tradicionales, usan qubits. Esto les permite resolver ciertos tipos de problemas mucho más rápido que las computadoras convencionales, especialmente en áreas como la criptografía, la simulación molecular y la optimización de procesos complejos.
Pero “No tiene lógica”
Si un qubit puede ser 1 y 0 simultáneamente ¿de que sirven? suena inútil o como si no existieran pues de nada sirve saber que es 0 y 1 ¿hay algo más para entenderlos?
Entiendo tu confusión – déjame explicarlo de una manera más clara:
La clave está en que los qubits no son simplemente “0 y 1 a la vez” de forma aleatoria. Es más como si tuvieran una probabilidad específica de ser 0 o 1, y esta probabilidad se puede manipular de manera muy precisa.
Te doy un ejemplo práctico: Imagina que tienes que probar todas las combinaciones posibles de una contraseña de 4 dígitos. Una computadora normal tendría que probar cada combinación una por una (0000, 0001, 0002…). Pero una computadora cuántica, usando qubits, podría probar múltiples combinaciones simultáneamente gracias a esta superposición.
Lo fascinante es que cuando realizas operaciones con qubits, estás trabajando con todas estas probabilidades a la vez. Y cuando finalmente mides el resultado, obtienes una respuesta específica que es la más probable para el problema que estás resolviendo.
Es como si pudieras explorar múltiples caminos simultáneamente para encontrar la mejor solución, en lugar de tener que probar cada camino por separado.
¿Te ayuda esta explicación a entender mejor su utilidad?
¿Cuantos Qubits se requieren?
Si me sirvió gracias, pero sigue mi duda. un bit solo puede ser 0 y 1 en notación binaria, un qubit igualmente solo puede representar 0 y 1, por ello un byte tiene 8 bits y con ello puedo representar 256 números. En los Qubits y las computadoras cuánticas ¿es necesario tener al menos 8?
Ah, esta es una excelente pregunta que toca un punto fundamental. En realidad, n qubits pueden representar muchos más estados que n bits clásicos. Veamos por qué:
Con bits clásicos:
- 1 bit → 2 estados posibles (0 o 1)
- 2 bits → 4 estados posibles (00, 01, 10, 11)
- 3 bits → 8 estados posibles
- 8 bits → 256 estados posibles
Con qubits:
- 1 qubit → 2 estados base pero en superposición
- 2 qubits → 4 estados base pero en superposición
- 3 qubits → 8 estados base en superposición
- n qubits → 2^n estados en superposición
La diferencia crucial es que mientras n bits clásicos solo pueden estar en uno de esos 2^n estados a la vez, n qubits pueden estar en una superposición de todos esos 2^n estados simultáneamente. Esto significa que no necesitas 8 qubits para representar lo mismo que 8 bits – de hecho, con menos qubits puedes procesar más información que con bits clásicos.
Por ejemplo, para factorizar un número grande, una computadora cuántica necesitaría muchos menos qubits que bits necesitaría una computadora clásica para hacer el mismo cálculo.
Sin embargo, es importante notar que cuando mides los qubits, “colapsan” a un estado clásico específico. La magia está en cómo manipulas esas superposiciones antes de la medición final.
Explicado con un ejemplo
Es decir tengo si tengo 3 qubits pueden tener 8 estados base en superposición, esto me permite operar lo que conocemos como un byte y hacer operaciones con el usando las compuertas cuánticas, una vez terminado mido el resultado rompiendo los unos y ceros resultado de ello (destruyendo la superposición). O solo puedo medir de resultado 3 bits?
Con 3 qubits, efectivamente tienes 8 estados base en superposición, pero hay un detalle importante en tu pregunta:
Cuando mides los 3 qubits, obtendrás exactamente 3 bits clásicos como resultado. No podrás obtener 8 bits diferentes de solo 3 qubits. Lo que hace poderoso al sistema es que durante las operaciones (antes de medir), esos 3 qubits están trabajando con las superposiciones de los 8 estados posibles simultáneamente.
Por ejemplo:
- Si tienes 3 qubits, puedes tener en superposición: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111
- Cuando aplicas compuertas cuánticas, operas sobre todos estos estados a la vez
- Pero al medir, obtendrás solo una de estas combinaciones de 3 bits
La clave está en diseñar algoritmos cuánticos que:
- Aprovechen la superposición durante los cálculos
- Manipulen las probabilidades usando compuertas cuánticas
- Al medir, tengan alta probabilidad de dar el resultado que buscamos
Por eso, 3 qubits no pueden reemplazar directamente a un byte (8 bits) en términos de almacenamiento final, pero pueden procesar información equivalente a 8 estados durante los cálculos.
¿Como se mide el estado de un Qubit?
La medición de todos los estados superpuestos de un qubit ¿como se hace?
La medición de un qubit es uno de los conceptos más fascinantes y complejos de la computación cuántica. Cuando mides un qubit, este “colapsa” a uno de sus estados base (0 o 1) según las probabilidades de su estado de superposición.
La medición se realiza usando instrumentos especializados que pueden detectar diferentes propiedades cuánticas, dependiendo de cómo está implementado físicamente el qubit. Por ejemplo:
- En qubits basados en electrones: se mide la dirección del spin
- En qubits superconductores: se mide la corriente o el voltaje
- En qubits fotónicos: se mide la polarización de la luz
Lo importante es entender que:
- La medición siempre da como resultado un estado clásico (0 o 1)
- El resultado es probabilístico, basado en cómo fue preparado el qubit
- El acto de medir destruye la superposición (esto se conoce como el colapso de la función de onda)
Por esto, en los algoritmos cuánticos es crucial realizar todas las operaciones necesarias antes de hacer la medición final, ya que una vez medido, el qubit pierde sus propiedades cuánticas y se comporta como un bit clásico.
¿Se se hacen operaciones en la computación actual?
Cuando se hacen operaciones en una computadora tradicional, se usan compuertas para hacer las operaciones, y el byte que se almacena en una memoria se opera y se almacena en la misma o en otra memoria. ¿En la computadora cuántica las operaciones como se hacen?
En las computadoras cuánticas también se usan compuertas, llamadas compuertas cuánticas. La principal diferencia es que estas compuertas manipulan los estados cuánticos sin destruir la superposición. Algunas de las compuertas cuánticas más básicas son:
- Compuerta Hadamard (H): Crea una superposición a partir de un estado base
- Compuerta NOT cuántica (X): Similar al NOT clásico, invierte estados
- Compuerta CNOT: Opera en dos qubits, donde uno controla la operación en el otro
En cuanto al almacenamiento, aquí está uno de los mayores retos: los estados cuánticos son extremadamente frágiles y pueden perder su coherencia (decoherencia cuántica) muy rápidamente. Por eso:
- Los qubits deben mantenerse en condiciones muy específicas (usualmente cerca del cero absoluto)
- Las operaciones deben realizarse muy rápidamente antes de que ocurra la decoherencia
- No se pueden “copiar” estados cuánticos arbitrarios (teorema de no clonación)
- Una vez que se mide un qubit, se pierde su estado cuántico
Por estas razones, las operaciones en computadoras cuánticas son más complejas y delicadas que en computadoras clásicas, y actualmente uno de los mayores desafíos es mantener la coherencia cuántica el tiempo suficiente para realizar cálculos útiles.
¿Para qué servirán? y ¿para qué no?
Las computadoras cuánticas ¿para que serán útiles? y ¿que formas de la informática actual no suplen?
Las computadoras cuánticas serán especialmente útiles para ciertos tipos de problemas específicos, mientras que las computadoras clásicas seguirán siendo mejores para otras tareas. Aquí las áreas principales donde las computadoras cuánticas mostrarán su potencial:
- Criptografía y Seguridad
- Podrán romper ciertos sistemas de encriptación actuales
- Permitirán crear nuevos métodos de encriptación más seguros
- Serán cruciales para la seguridad de comunicaciones futuras
- Simulación Molecular y Química
- Modelado preciso de moléculas complejas
- Diseño de nuevos materiales
- Desarrollo de medicamentos más eficiente
- Optimización de reacciones químicas
- Optimización y Logística
- Resolución de problemas complejos de rutas
- Optimización de cadenas de suministro
- Gestión de portafolios financieros
- Predicción climática más precisa
Sin embargo, las computadoras tradicionales seguirán siendo mejores para:
- Procesamiento de texto
- Navegación web
- Videojuegos
- Cálculos matemáticos simples
- Almacenamiento de datos
- Tareas cotidianas de computación
Es importante entender que las computadoras cuánticas no reemplazarán a las tradicionales, sino que serán una herramienta complementaria para problemas específicos que requieren una capacidad de cálculo extraordinaria.
Hablemos de “Computación fotónica”
La computación fotónica es una tecnología que usa luz (fotones) en lugar de electricidad (electrones) para procesar y transmitir información. Al usar fotones, estos sistemas son más rápidos y consumen menos energía que las computadoras electrónicas tradicionales, ya que la luz viaja a mayor velocidad y produce menos calor que los electrones.
Existen grandes avances en la computación “fotónica” por lo que entiendo esta ayuda en todos los temas de las computadoras tradicionales, mientras que la cuántica se enfocará en “cálculo”. ¿es correcta esta afirmación?
Tu interpretación es bastante acertada. Permíteme explicar la distinción:
La computación fotónica (usando luz):
- Mejora la velocidad de procesamiento de datos
- Reduce el consumo de energía
- Mejora la transferencia de información
- Es una evolución natural de las computadoras electrónicas actuales
- Puede usarse para tareas computacionales generales
La computación cuántica:
- Se especializa en problemas matemáticos específicos
- Es mejor para simulaciones de sistemas cuánticos
- Destaca en problemas de optimización complejos
- No está diseñada para reemplazar la computación tradicional
- Es una forma fundamentalmente diferente de computación
Sin embargo, es interesante notar que hay un área donde ambas tecnologías se cruzan: existen qubits que utilizan fotones como su base física (qubits fotónicos). Esto significa que algunas computadoras cuánticas pueden usar principios de la fotónica en su implementación, aunque su propósito sigue siendo realizar cálculos cuánticos específicos.
¿Quienes tienen avances en este terreno cuántico?
Actualmente, varias empresas y centros de investigación destacan por sus avances en computación cuántica:
- Google: Alcanzó notoriedad por su anuncio de “supremacía cuántica” en 2019 con el procesador Sycamore.
- IBM: Ofrece la plataforma IBM Quantum, con sistemas cuánticos accesibles en la nube y una hoja de ruta clara hacia procesadores cada vez más potentes.
- Microsoft: Apuesta por enfoques de hardware (como qubits topológicos) y por la plataforma Azure Quantum.
- Intel: Desarrolla chips cuánticos de silicio y cuenta con una gran capacidad de fabricación.
- D-Wave: Pionera en computación cuántica de recocido (annealing), enfocada a problemas de optimización.
- IonQ, Rigetti y otras startups: Innovan con arquitecturas basadas en iones atrapados o superconductores.
Además de estas empresas, universidades (MIT, Caltech, Oxford, ETH Zúrich, entre otras) y entidades gubernamentales (como programas nacionales en EE. UU., Europa y China) impulsan la investigación y desarrollo en computación cuántica.
¿Quienes tienen avances en el terreno Fotónico?
En computación fotónica destacan tanto startups como grandes empresas y laboratorios académicos. Algunos ejemplos clave:
- PsiQuantum: Con sede en Silicon Valley, busca construir un computador cuántico fotónico a gran escala, con énfasis en la integración de fotónica de silicio a nivel industrial.
- Xanadu: Con sede en Canadá, desarrolla computadoras cuánticas fotónicas y software para simulaciones y algoritmos cuánticos.
- Lightmatter: Se especializa en procesadores fotónicos para acelerar el procesamiento de redes neuronales y aplicaciones de IA.
- Intel: Invierte en fotónica de silicio y componentes fotónicos para comunicaciones y, en el futuro, procesamiento.
- Laboratorios académicos (MIT, Caltech, Oxford, EPFL, etc.): Investigan nuevas arquitecturas fotónicas, integración de fotónica en chips y protocolos cuánticos fotónicos.
Estos actores se centran tanto en desarrollar chips fotónicos para IA y comunicaciones ópticas, como en explorar la computación cuántica fotónica para resolver problemas de gran complejidad.
Conclusiones
- La computación cuántica y la computación fotónica son tecnologías distintas pero complementarias que marcarán el futuro del cómputo:
- La computación cuántica se especializará en resolver problemas matemáticos complejos específicos
- La computación fotónica mejorará el rendimiento general de las computadoras tradicionales
- Las computadoras cuánticas no reemplazarán a las computadoras tradicionales, sino que serán herramientas especializadas para tareas específicas como criptografía, simulación molecular y optimización.
- El campo está avanzando rápidamente con múltiples actores importantes:
- Los principales desafíos actuales incluyen:
- Mantener la coherencia cuántica el tiempo suficiente
- Desarrollar algoritmos cuánticos efectivos
- Escalar el número de qubits manteniendo su estabilidad
- Es importante entender que estas tecnologías, aunque revolucionarias, no afectarán todas las áreas de la computación. Muchas tareas cotidianas seguirán realizándose en computadoras tradicionales, posiblemente mejoradas con tecnología fotónica.
Comentarios recientes