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¿Qué es la computación cuántica?

Es el uso de la mecánica cuántica para realizar cálculos en hardware especializado.

Introducción a la computación cuántica

Para dar una definición completa de la computación cuántica, tenemos que definir primero algunos términos clave.

¿Qué significa \"cuántica\"?

El término cuántica en "computación cuántica" hace referencia a la mecánica cuántica que el sistema usa para calcular los resultados. En física, un cuanto es la unidad discreta más pequeña posible de cualquier propiedad física. Normalmente, hace referencia a las propiedades de las partículas atómicas o subatómicas, como los electrones, los neutrinos y los fotones.

¿Qué es un cúbit?

Un cúbit es la unidad básica de información en la computación cuántica. Los cúbits desempeñan en la computación cuántica un papel similar al que desempeñan los bits en la computación clásica, pero se comportan de manera muy diferente. Los bits clásicos son binarios y solo pueden tener una posición de 0 o 1, mientras que los cúbits pueden tener una superposición de todos los estados posibles.

¿Qué es la computación cuántica?

Los equipos cuánticos aprovechan el comportamiento único de la física cuántica, como la superposición, el entrelazamiento y la interferencia cuántica, y lo aplican al cálculo. Esto introduce nuevos conceptos en los métodos de programación tradicionales.

Superposición

En la superposición, las partículas cuánticas son una combinación de todos los estados posibles. Fluctúan hasta que se observan y se miden. Una forma de ilustrar la diferencia entre la posición binaria y la superposición es imaginar una moneda. Los bits clásicos se miden "volteando la moneda" y obteniendo cara o cruz. Sin embargo, si fuese posible mirar una moneda y ver las dos caras a la vez, y todos los estados entre medias, la moneda estaría en una superposición.

Entrelazamiento

El entrelazamiento es la capacidad de las partículas cuánticas para correlacionar entre sí los resultados de su medición. Cuando los cúbits están entrelazados, forman un único sistema y se influyen entre sí. Podemos usar las medidas de un cúbit para sacar conclusiones sobre los demás. Al agregar y entrelazar más cúbits en un sistema, los equipos cuánticos pueden calcular exponencialmente más información y resolver problemas más complejos.

Interferencia cuántica

Interferencia cuántica es el comportamiento intrínseco de un cúbit, debido a la superposición, de influir en la probabilidad de que colapse de una u otra forma. Los equipos cuánticos están diseñados y creados para reducir la interferencia tanto como sea posible y asegurar los resultados más precisos. Con este fin, Microsoft utiliza cúbits topológicos, que se estabilizan manipulando su estructura y rodeándolos con compuestos químicos que los protegen frente a interferencias externas.

¿Cómo funciona la computación cuántica?

Un equipo cuántico tiene tres partes principales:

  • Un área que aloja los cúbits.
  • Un método para transferir señales a los cúbits.
  • Un equipo clásico para ejecutar un programa y enviar instrucciones.

En algunos métodos de almacenamiento de cúbits, la unidad que aloja los cúbits se mantiene a una temperatura justo por encima del cero absoluto para maximizar su coherencia y reducir la interferencia. Otros tipos de alojamiento de cúbits usan una cámara de vacío para minimizar las vibraciones y estabilizar los cúbits.

Se pueden enviar señales a los cúbits con diversos métodos, como las microondas, el láser y el voltaje.

Usos y áreas de aplicación de los equipos cuánticos

Un equipo cuántico no puede hacerlo todo con más rapidez que un equipo clásico, pero hay algunas áreas en las que los equipos cuánticos pueden causar un gran impacto.

Simulación cuántica

Los equipos cuánticos funcionan excepcionalmente bien para modelar otros sistemas cuánticos, porque usan fenómenos cuánticos en el cálculo. Esto significa que pueden gestionar la complejidad y la ambigüedad de sistemas que sobrecargarían los equipos clásicos. Algunos ejemplos de sistemas cuánticos que podemos modelar son la fotosíntesis, la superconductividad y las formaciones moleculares complejas.

Criptografía

La criptografía clásica, como el algoritmo Rivest–Shamir–Adleman (RSA), que se usa ampliamente para proteger la transmisión de datos, se basa en la insolubilidad de problemas como la factorización de enteros o los logaritmos discretos. Muchos de estos problemas se pueden resolver de una forma más eficaz con los equipos cuánticos.

Optimización

Optimización es el proceso de encontrar la mejor solución para un problema, según sus restricciones y el resultado deseado. En la ciencia y la industria, las decisiones críticas se toman en función de factores como el costo, la calidad y el tiempo de producción, que se pueden optimizar. La ejecución de algoritmos de optimización inspirados en la teoría cuántica en equipos clásicos nos permite encontrar soluciones que antes eran imposibles. Esto nos ayuda a buscar mejores formas de administrar sistemas complejos, como los flujos del tráfico, la asignación de puertas a los aviones, la entrega de paquetes y el almacenamiento de energía.

Aprendizaje automático cuántico

El aprendizaje automático en los equipos clásicos está revolucionando el mundo científico y empresarial. Sin embargo, el entrenamiento de los modelos de aprendizaje automático conlleva un alto costo computacional y eso ha obstaculizado el ámbito y el desarrollo de este campo. Con el fin de acelerar el progreso en esta área, estamos explorando nuevas formas de crear e implementar software cuántico que permita un aprendizaje automático más rápido.

Búsqueda

Un algoritmo cuántico desarrollado en 1996 aceleró drásticamente la solución a las búsquedas en datos no estructurados, ya que permitía ejecutar una búsqueda en menos pasos que cualquier algoritmo clásico.

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