La ventaja cuántica es el hito por el que el campo de la computación cuántica está trabajando fervientemente, cuando una computadora cuántica pueda resolver problemas que están más allá del alcance de las computadoras clásicas o no cuánticas más poderosas.
Lo cuántico se refiere a la escala de átomos y moléculas donde las leyes de la física tal como las experimentamos se descomponen y se aplica un conjunto de leyes diferente y contraintuitivo. Las computadoras cuánticas aprovechan estos comportamientos extraños para resolver problemas.
Hay algunos tipos de problemas que son poco práctico para que las computadoras clásicas resuelvan, Tales como descifrar algoritmos de cifrado de última generación. Las investigaciones de las últimas décadas han demostrado que las computadoras cuánticas tienen el potencial de resolver algunos de estos problemas. Si se puede construir una computadora cuántica que realmente resuelva uno de estos problemas, habrá demostrado una ventaja cuántica.
Soy un fisico que estudia el procesamiento de información cuántica y el control de sistemas cuánticos. Creo que esta frontera de innovación científica y tecnológica no sólo promete avances revolucionarios en computación, sino que también representa un aumento más amplio en la tecnología cuántica, incluidos avances significativos en criptografía y detección cuánticas.
La fuente del poder de la computación cuántica
Un elemento central de la computación cuántica es el bit cuántico, o quit. A diferencia de los bits clásicos, que solo pueden estar en estados de 0 o 1, un qubit puede estar en cualquier estado que sea una combinación de 0 y 1. Este estado de ni solo 1 ni solo 0 se conoce como superposición cuántica. Con cada qubit adicional, se duplica el número de estados que pueden ser representados por los qubits.
Esta propiedad a menudo se confunde con la fuente del poder de la computación cuántica. Más bien, todo se reduce a una intrincada interacción de superposición, interferencia y enredo.
La interferencia implica manipular qubits para que sus estados se combinen de manera constructiva durante los cálculos para amplificar las soluciones correctas y de manera destructiva para suprimir las respuestas incorrectas. La interferencia constructiva es lo que sucede cuando los picos de dos ondas (como las ondas sonoras o las del océano) se combinan para crear un pico más alto. La interferencia destructiva es lo que sucede cuando un pico de onda y un valle de onda se combinan y se anulan entre sí. Los algoritmos cuánticos, que son pocos y difíciles de idear, establecen una secuencia de patrones de interferencia que producen la respuesta correcta a un problema.
El entrelazamiento establece una correlación cuántica única entre qubits: el estado de uno no puede describirse independientemente de los demás, sin importar qué tan separados estén los qubits. Esto es lo que Albert Einstein descartó como “acción espeluznante a distancia”. El comportamiento colectivo del entrelazamiento, orquestado a través de una computadora cuántica, permite aceleraciones computacionales que están fuera del alcance de las computadoras clásicas.
Aplicaciones de la Computación Cuántica
La computación cuántica tiene una variedad de usos potenciales en los que puede superar a las computadoras clásicas. En criptografía, las computadoras cuánticas representan tanto una oportunidad como un desafío. Lo más famoso es que tienen el potencial para descifrar los algoritmos de cifrado actuales, como el ampliamente utilizado esquema RSA.
Una consecuencia de esto es que los protocolos de cifrado actuales deben rediseñarse para que sean resistentes a futuros ataques cuánticos. Este reconocimiento ha llevado al floreciente campo de criptografía post-cuántica. Después de un largo proceso, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología seleccionó recientemente cuatro algoritmos resistentes a los cuánticos y comenzó el proceso de prepararlos para que organizaciones de todo el mundo puedan usarlos en su tecnología de cifrado.
Además, la computación cuántica puede acelerar drásticamente la simulación cuántica: la capacidad de predecir el resultado de experimentos que operan en el ámbito cuántico. El famoso físico Richard Feynman previó esta posibilidad hace más de 40 años. La simulación cuántica ofrece potencial para avances considerables en química y ciencia de materiales, ayudando en áreas como el modelado complejo de estructuras moleculares para el descubrimiento de fármacos y permitiendo el descubrimiento o la creación de materiales con propiedades novedosas.
Otro uso de la tecnología de la información cuántica es detección cuántica: detectar y medir propiedades físicas como energía electromagnética, gravedad, presión y temperatura con mayor sensibilidad y precisión que los instrumentos no cuánticos. La detección cuántica tiene innumerables aplicaciones en campos como monitoreo ambiental, exploración geológica, imagenes medicasy vigilancia.
Iniciativas como el desarrollo de un internet cuántico que interconecta las computadoras cuánticas son pasos cruciales para unir los mundos de la computación cuántica y clásica. Esta red podría protegerse mediante protocolos criptográficos cuánticos, como la distribución de claves cuánticas, que habilita canales de comunicación ultraseguros que están protegidos contra ataques computacionales, incluidos aquellos que utilizan computadoras cuánticas.
A pesar del creciente conjunto de aplicaciones para la computación cuántica, el desarrollo de nuevos algoritmos que aprovechen al máximo la ventaja cuántica, en particular en aprendizaje automático—sigue siendo un área crítica de investigación en curso.
Mantener la coherencia y superar los errores
El campo de la computación cuántica enfrenta importantes obstáculos en el desarrollo de hardware y software. Las computadoras cuánticas son muy sensibles a cualquier interacción involuntaria con su entorno. Esto conduce al fenómeno de la decoherencia, donde los qubits se degradan rápidamente a los estados 0 o 1 de los bits clásicos.
Para construir sistemas de computación cuántica a gran escala capaces de cumplir la promesa de aceleraciones cuánticas es necesario superar la decoherencia. La clave es desarrollar métodos eficaces de suprimir y corregir errores cuánticos, un área en la que se centra mi propia investigación.
Al afrontar estos desafíos, numerosos Startups de hardware y software cuántico. han surgido junto con actores de la industria tecnológica bien establecidos como Google e IBM. Este interés de la industria, combinado con importantes inversiones de gobiernos de todo el mundo, subraya un reconocimiento colectivo del potencial transformador de la tecnología cuántica. Estas iniciativas fomentan un rico ecosistema donde la academia y la industria colaboran, acelerando el progreso en el campo.
La ventaja cuántica está a la vista
La computación cuántica algún día puede ser tan disruptiva como la llegada de IA generativa. Actualmente, el desarrollo de la tecnología de computación cuántica se encuentra en un momento crucial. Por un lado, este campo ya ha mostrado signos tempranos de haber logrado una ventaja cuántica estrechamente especializada. Investigadores de Google y luego un equipo de investigadores en China ventaja cuántica demostrada para generar una lista de números aleatorios con ciertas propiedades. Mi equipo de investigación demostró una aceleración cuántica para un juego de adivinanzas de números aleatorios.
Por otro lado, existe un riesgo tangible de entrar en un “invierno cuántico”, un período de reducción de la inversión si los resultados prácticos no se materializan en el corto plazo.
Si bien la industria de la tecnología está trabajando para ofrecer una ventaja cuántica en productos y servicios en el corto plazo, la investigación académica sigue centrada en investigar los principios fundamentales que sustentan esta nueva ciencia y tecnología. Esta investigación básica en curso, impulsada por cuadros entusiastas de estudiantes nuevos y brillantes del tipo que encuentro casi todos los días, garantiza que el campo seguirá progresando.
Este artículo se republica de La conversación bajo una licencia Creative Commons. Leer el articulo original.
Crédito de la imagen: xx / xx
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- Fuente: https://singularityhub.com/2023/11/17/what-is-quantum-advantage-the-moment-extremely-powerful-quantum-computers-will-arrive/
