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¿Qué es un cúbit?

Es la unidad fundamental de información en la computación cuántica.

Definición de cúbit

Del mismo modo que un bit binario es la unidad básica de información en la computación clásica (o tradicional), un cúbit (o bit cuántico) es la unidad básica de información en la computación cuántica. La computación cuántica está permitiendo nuevos descubrimientos en campos como la asistencia sanitaria, la energía, los sistemas ambientales, los materiales inteligentes, etc.

Cúbit frente a bit

Los cúbits se representan mediante una superposición de varios estados posibles

Un cúbit utiliza los fenómenos de superposición de la mecánica cuántica para lograr una combinación lineal de dos estados. Un bit binario clásico solo puede representar un único valor binario, como 0 o 1, lo que significa que solo puede estar en uno de dos estados posibles. Sin embargo, un cúbit puede representar un 0, un 1 o cualquier proporción de 0 y 1 en la superposición de ambos estados, con una probabilidad determinada de ser un 0 y una probabilidad determinada de ser un 1.

La superposición proporciona a los equipos cuánticos una capacidad de cálculo superior

La superposición permite que los algoritmos cuánticos procesen la información en una fracción del tiempo que se tardaría incluso en los sistemas clásicos más rápidos para solucionar determinados problemas.

  • La cantidad de información que un sistema de cúbits puede representar aumenta de manera exponencial. La información que 500 cúbits pueden representar fácilmente no sería posible ni con más de 2^500 bits clásicos.
  • Un equipo clásico tardaría millones de años en encontrar los factores primos de un número de 2048 bits. Los cúbits podría realizar este cálculo en solo unos minutos.

Hay muchas implementaciones físicas de cúbits

Mientras los equipos clásicos utilizan los conocidos chips de sílice, los cúbits (a veces denominados "cúbits de equipos cuánticos") pueden estar hechos de iones atrapados, fotones, átomos artificiales o reales, o cuasipartículas. En función de la arquitectura y los sistemas de cúbits, algunas implementaciones necesitan que los cúbits se mantengan a temperaturas cercanas al cero absoluto.

Superposición, interferencia y entrelazamiento

La superposición permite que los algoritmos cuánticos utilicen otros fenómenos de la mecánica cuántica, como la interferencia y el entrelazamiento. Juntos, la superposición, la interferencia y el entrelazamiento crean una capacidad de cálculo que puede solucionar problemas con una velocidad exponencialmente más rápida que la de los equipos clásicos.

Interferencia

Una consecuencia de la superposición es la interferencia. Los estados de los cúbits pueden interferir entre sí, porque cada estado se describe mediante una amplitud de probabilidad, igual que las amplitudes de las ondas.

La interferencia constructiva mejora la amplitud, mientras que la interferencia destructiva la anula. Estos efectos se usan en los algoritmos de cálculo cuántico y es lo que los diferencia fundamentalmente de los algoritmos clásicos. La interferencia se utiliza junto con el entrelazamiento para permitir la aceleración cuántica que promete la computación cuántica.

Entrelazamiento

Varios cúbits pueden presentar entrelazamiento cuántico. Los cúbits entrelazados siempre se correlacionan entre sí para formar un único sistema. Incluso cuando están infinitamente alejados uno de otro, la medición del estado de uno de los cúbits nos permite conocer el estado del otro, sin necesidad de medirlo directamente.

El entrelazamiento es necesario para cualquier cálculo cuántico y no se puede realizar de forma eficaz en un equipo clásico. Las aplicaciones incluyen la factorización de números grandes (algoritmo de Shor) y la solución de problemas de búsqueda (algoritmo de Grover).

El futuro de los cúbits

A medida que avanzan las tecnologías cuánticas, estamos más cerca de encontrar soluciones a algunos de los problemas más difíciles del mundo. Aunque este nuevo paradigma tiene un potencial increíble, la computación cuántica se encuentra aún en ciernes.

Los cúbits son frágiles

Uno de los principales obstáculos de la computación cuántica es la naturaleza frágil de los cúbits. El entrelazamiento del sistema de cúbits con su entorno, incluida la configuración de las mediciones, podría alterar fácilmente el sistema y producir decoherencia. Por tanto, se están desarrollando actualmente avances en la construcción de hardware de computación cuántica y los métodos de corrección de errores.

Los cúbits topológicos son más estables

Para solucionar el problema de la fragilidad, Microsoft utiliza cúbits topológicos, que se estabilizan manipulando su estructura y rodeándolos con compuestos químicos que los protegen frente a la contaminación externa. Los cúbits topológicos están protegidos del ruido gracias a las propiedades topológicas de las cuasipartículas, lo que hace que el hardware cuántico de Microsoft sea más resistente a los errores. Esta mayor estabilidad ayudará a los equipos cuánticos a escalar su capacidad para realizar cálculos más largos y complejos, y así poder alcanzar soluciones más complejas.

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