Computación cuántica

La **computación cuántica** ye un paradigma de computación distintu al de la computación clásica. Basar nel usu de cúbits en llugar de bits, y da llugar a nueves puertes lóxiques que faen posibles nuevos algoritmos.

Una mesma xera puede tener distinta complexidá en computación clásica y en computación cuántica, lo que dio llugar a una gran espectación, una y bones dellos problemes intratables pasen a ser tratables. Ente que un ordenador clásicu equival a una máquina de Turing, un ordenador cuánticu equival a una máquina de Turing cuántica.

## Orixe de la computación cuántica

A midida que evoluciona la teunoloxía y amenórgase el tamañu de los transistores pa producir microchips cada vez más pequeños, esto traduzse en mayor velocidá de procesu. Sicasí, nun pueden faese los chips infinitamente pequeños, yá que hai una llende tres el cual dexen de funcionar correutamente. Cuando se llega a la escala de nanómetros, los electrones escapar de les canales per onde tienen de circular. A esto llámase-y efeutu túnel.

Una partícula clásica, si atopar con una torga, nun puede travesalo y rebota. Pero colos electrones, que son partícules cuántiques y pórtense como ondes, esiste la posibilidá de qu'una parte d'ellos pueda travesar les parés si son los abondo delgaes; d'esta manera la señal puede pasar por canales onde nun tendría de circular. Por ello, el chip dexa de funcionar correutamente.

Arriendes d'ello, la computación dixital tradicional nun tardaría en llegar a la so llende, yá que yá se llegó a escales de namái delles decenes de nanómetros. Surde entós la necesidá d'afayar nueves teunoloxíes y ye ende onde la computación cuántica entra n'escena.

La idea de computación cuántica surde en 1981, cuando Paul Benioff espunxo la so teoría p'aprovechar les lleis cuántiques na redolada de la computación. En cuenta de trabayar a nivel de voltaxes llétricos, trabayar a nivel de cuanto. Na computación dixital, un bit namái puede tomar dos valores: 0 o 1. Sicasí, na computación cuántica, intervienen les lleis de la mecánica cuántica, y la partícula puede tar en superposición coherente: puede ser 0, 1 y puede ser 0 y 1 al empar (dos estaos ortogonales d'una partícula subatómica). Eso dexa que puedan realizase delles operaciones al empar, según el númberu de cúbits.

El númberu de cúbits indica la cantidá de bits que pueden tar en superposición. Colos bits convencionales, si teníase un rexistru de trés bits, había ocho valores posibles y el rexistru namái podía tomar unu d'esos valores. Sicasí, si teníase un vector de trés cúbits, la partícula puede tomar ocho valores distintos al empar gracies a la superposición cuántica. Asina, un vector de trés cúbits dexaría un total d'ocho operaciones paraleles. Como cabo esperar, el númberu d'operaciones ye esponencial con respectu al númberu de cúbits.

Pa faese una idea de la gran meyora, un ordenador cuánticu de 30 cúbits equivaldría a un procesador convencional de 10 teraflops (10 millones de millones d'operaciones en coma flotante per segundu), cuando anguaño los ordenadores trabayen nel orde de gigaflops (miles de millones d'operaciones).

## Problemes de la computación cuántica

Unu de les torgues principales pa la computación cuántica ye'l problema de la decoherencia cuántica, que causa la perda del calter unitariu (y, más específicamente, la reversibilidad) de los pasos del algoritmu cuánticu. Los tiempos de decoherencia pa los sistemes candidatossobremanera'l tiempu de relaxación tresversal (na terminoloxía usada na teunoloxía de resonancia magnética nuclear y imaginería por resonancia magnética) ta típicamente ente nanosegundos y segundos, a temperatures baxes. Les tases d'error son típicamente proporcionales a la razón ente tiempu d'operación frente a tiempu de decoherencia, de forma que cualquier operación tien de ser completada nun tiempu muncho más corto que'l tiempu de decoherencia. Si la tasa d'error ye lo bastante baxa, ye posible usar conducentemente la correición d'errores cuántica, colo cual sí seríen posibles tiempos de cálculu más llargos que'l tiempu de decoherencia y, en principiu, arbitrariamente llargos. Citar con frecuencia una tasa d'error llende de 10–4, per debaxo de la cual supónse que sería posible l'aplicación eficaz de la correición d'errores cuánticos.

Otru de los problemes principales ye la escalabilidad, especialmente teniendo en cuenta la considerable medría en cúbits necesarios pa cualquier cálculu qu'implica la correición d'errores. Pa nengún de los sistemes anguaño propuestos ye trivial un diseñu capaz de remanar un númberu lo bastante alto de cúbits pa resolver problemes computacionalmente interesantes anguaño.

## ''Hardware'' pa computación cuántica

Entá nun se resolvió'l problema de qué *[[hardware]]* sería l'ideal pa la computación cuántica. Definióse una serie de condiciones que tien de cumplir, conocida como la *llista de Di Vincenzo*, y hai dellos candidatos anguaño.

### Condiciones a cumplir
*El sistema hai de poder inicializarse, esto ye, llevase a un estáu de partida conocíu y controláu.
*Hai de ser posible faer manipulaciones a los cúbits de forma controlada, con un conxuntu d'operaciones que forme un conxuntu universal de puertes lóxiques (pa poder reproducir cualesquier otra puerta lóxica posible).
*El sistema hai de caltener el so coherencia cuántica a lo llargo del esperimentu.
*Hai de poder lleese l'estáu final del sistema, tres el cálculu.
*El sistema hai de ser escalable: tien qu'haber una forma definida d'aumentar el númberu de cúbits, pa tratar con problemes de mayor costu computacional.

### Candidatos

*Espines nucleares de molécules en disolución, nun aparatu de RMN.
*Fluxu llétrico en SQUID.
*Iones suspendíos en vacíu.
*Puntos cuánticos en superficies sólides.
*Imanes moleculares en micro-SQUID.
*Ordenador cuánticu de Kane.
*Computación adiabática, basada nel teorema adiabático.

#### Procesadores
En 2004, científicos del Institutu de Física aplicada de la Universidá de Bonn publicaron resultaos sobre un rexistru cuánticu esperimental. Pa ello utilizaron átomos neutros qu'almacenen información cuántica, polo que son llamaos *cúbits* por analoxía colos bits. El so oxetivu actual ye construyir una puerta cuántica, colo cual tendríense los elementos básicos que constitúin el procesadores, que son el corazón de los ordenadores actuales. Hai de solliñar qu'un chip de teunoloxía VLSI contién anguaño más de 100 000 puertes, de manera que'l so usu práuticu inda se presenta nun horizonte alloñáu.

#### Tresmisión de datos Científicos de los llaboratorios [[Institutu Max Planck|Max Planck]] y [[Institutu Niels Bohr|Niels Bohr]] publicaron na revista ''[[Nature]]'' en [[payares de 2004]], resultaos sobre la tresmisión d'información cuántica a distancies de 100 km usando la lluz como vehículu. llogrando niveles d'ésitu del 70 %, lo que representa un nivel calidable que dexa utilizar protocolos de tresmisión con autocorrección. Anguaño trabayar nel diseñu de repetidores, que dexaríen tresmitir información a distancies mayores a les yá alcanzaes.

## Programes de computación

### Algoritmos cuánticos

Los algoritmos cuánticos basar nun marxe d'error conocíu nes operaciones de base y trabayen amenorgando'l marxe d'error a niveles exponencialmente pequeños, comparables al nivel d'error de les máquines actuales.
*Algoritmu de Shor
*Algoritmu de Grover
*Algoritmu de Deutsch-Jozsa

### Modelos
*Ordenador cuánticu de Benioff
*Ordenador cuánticu de Feynman
*Ordenador cuánticu de Deutsch

### Complexidá

La clase de complexidá BQP estudia'l costu de los algoritmos cuánticos con baxu marxe d'error.

### Problemes propuestos
Suxirióse l'usu de la computación cuántica como alternativa cimera a la computación clásica pa dellos problemes, ente ellos:
* Factorización de númberos enteros
* Llogaritmu discretu
* Simulación de sistemes cuánticos: Richard Feynman conxeturó en 1982 que los ordenadores cuánticos seríen eficaces como simuladores universales de sistemes cuánticos, y en 1996 demostróse que la conxetura yera correuta.

## Cronología
### Año 80
A empiezos de la década de los 80, empezaron a surdir les primeres teoríes qu'apuntaben a la posibilidá de realizar cálculos de naturaleza cuántica.

**1981 - Paul Benioff**

Les idees esenciales de la computación cuántica surdieron de la mente de Paul Benioff que trabayaba nel Argone National Laboratory en Illinois (EE. XX.). Teorizó un ordenador tradicional (máquina de Turing) operando con dellos principios de la mecánica cuántica.

**1981-1982 Richard Feynman**

El Dr. Richard Feynman, físicu del Institutu de Teunoloxía de California (EE. XX.) y ganador del premiu Nobel en 1965 realizó una ponencia mientres la Primer Conferencia sobre la Física de la Computación realizáu nel Institutu Teunolóxicu de Massachusetts (EE. XX.)
La so charra, sol títulu de *Asemeyando la física con ordenadores* (*Simulating Physics With Computers*) proponía l'usu de fenómenos cuánticos pa realizar cálculos computacionales y esponía que dada la so naturaleza dellos cálculos de gran complexidá realizaríense más rápido nun ordenador cuánticu.

**1985 - David Deutsch**

Esti físicu israelín de la Universidá d'Oxford, Inglaterra, describió'l primer ordenador cuánticu universal, esto ye, capaz d'asemeyar cualesquier otru ordenador cuánticu (principiu de Church-Turing ampliáu). D'esta miente surdió la idea de qu'un ordenador cuánticu podría executar distintos algoritmos cuánticos.

### Años 90
Nesta dómina la teoría empezó a afigurase na práutica: apaecieron los primeros algoritmos cuánticos, les primeres aplicaciones cuántiques y les primeres máquines capaces de realizar cálculos cuánticos.

**1993 - Dan Simon**

Dende'l departamentu d'investigación de Microsoft (Microsoft Research), surdió un problema teóricu que demostraba la ventaya práutica que tendría un ordenador cuánticu frente a unu tradicional.

Comparó'l modelu de probabilidá clásica col modelu cuánticu y les sos idees sirvieron como base pal desenvolvimientu de dellos algoritmos futuros (como'l de Shor).

**1993 - Charles Benett**

Esti trabayador del centru d'investigación de IBM en Nueva York afayó'l teletransporte cuánticu y qu'abrió una nueva vía d'investigación escontra'l desenvolvimientu de comunicaciones cuántiques.

**1994-1995 [[Peter Shor]]**

Esti científicu d'Estaos Xuníos de AT&T Bell Laboratories definió l'algoritmu que lleva'l so nome y que dexa calcular los factores primos de númberos a una velocidá enforma mayor qu'en cualesquier ordenador tradicional. Amás el so algoritmu dexaría romper munchos de los sistemes de criptografía utilizaos anguaño.
El so algoritmu sirvió pa demostrar a una gran parte de la comunidá científica que reparaba incrédula les posibilidaes de la computación cuántica, que se trataba d'un campu d'investigación con un gran potencial.
Amás, un añu más tarde, propunxo un sistema de correición d'errores nel cálculu cuánticu.

**1996 - Lov Grover**

Inventó l'algoritmu de busca de datos que lleva'l so nome, algoritmu de Grover. Anque l'aceleración consiguida nun ye tan drástica como nos cálculos factoriales o en simulaciones físiques, el so rangu d'aplicaciones ye enforma mayor.
Al igual que'l restu d'algoritmos cuánticos, tratar d'un algoritmu probabilístico con un altu índiz d'aciertu.

**1997 - Primeros esperimentos**

En 1997 empecipiáronse los primeros esperimentos práuticos y abriéronse les puertes de mano a implementar toos aquellos cálculos y esperimentos que fueren descritos teóricamente hasta entós.
El primer esperimentu de comunicación segura usando criptografía cuántica realizar con ésitu a una distancia de 23 km. Amás realízase'l primer teletransporte cuánticu d'un fotón.

**1998 - 1999 Primeros cúbits**

Investigadores de Los Álamos y l'Institutu Teunolóxicu de Massachusetts consiguen arrobinar el primer cúbit al traviés d'una solución d'aminoácidos. Supunxo'l primer pasu p'analizar la información que tresporta un cúbit.
Mientres esi mesmu añu, nació la primer máquina de 2 cúbits, que foi presentada na Universidá de Berkeley, California (EE. XX.)
Un añu más tarde, en 1999, nos llaboratorios de IBM-Almaden, creóse la primer máquina de 3 cúbits y amás foi capaz d'executar per primer vegada l'algoritmu de busca de Grover.

### Añu 2000 hasta agora

#### 2000 - Siguen los progresos

De nuevu IBM, dirixíu por Isaac Chuang (Figura 4.1), creó un ordenador cuánticu de 5 cúbits capaz d'executar un algoritmu de busca d'orde, que forma parte del Algoritmu de Shor. Esti algoritmu executar nun simple pasu cuando nun ordenador tradicional riquiría de numberoses iteraciones.
Esi mesmu añu, científicos de Los Álamos National Laboratory (EE. XX.) anunciaron el desenvolvimientu d'un ordenador cuánticu de 7 cúbits. Utilizando un resonador magnéticu nuclear consígense aplicar pulsos electromagnéticos y dexa emular la codificación en bits de los ordenadores tradicionales.

#### 2001 - L'algoritmu de Shor executáu

IBM y la Universidá de Stanford, consiguen executar per primer vegada l'algoritmu de Shor nel primer ordenador cuánticu de 7 cúbits desenvueltu en Los Álamos. Nel esperimentu calcularon los factores primos de 15, dando la resultancia correuta de 3 y 5 utilizando pa ello 1018 molécules, caúna d'elles con siete átomos.

#### 2005 - El primer Qbyte

L'Institutu d'Óptica ya Información Cuántica de la Universidá de Innsbruck (Austria) anunció que los sos científicos crearen el primer *qbyte*, una serie de 8 cúbits utilizando trampes d'iones.

#### 2006 - Meyores nel control del cuanto

Científicos en Waterloo y Massachusetts diseñen métodos p'ameyorar el control del cuanto y consiguen desenvolver un sistema de 12 cúbits. El control del cuanto se fai cada vez más complexu a midida que aumenta'l númberu de cúbits emplegaos polos ordenadores.

#### 2007 - D-Wave

La empresa canadiense D-Wave Systems había supuestamente presentáu'l 13 de febreru de 2007 en Silicon Valley, un primer ordenador cuánticu comercial de 16 cúbits de propósitu xeneral; depués la mesma compañía almitió que tal máquina, llamada Orion, nun ye realmente un ordenador cuánticu, sinón una clase de máquina de propósitu xeneral qu'usa daqué de mecánica cuántica pa resolver problemes.

#### 2007 - Bus cuánticu

En setiembre de 2007, dos equipos d'investigación estauxunidenses, el National Institute of Standards (NIST) de Boulder y la Universidá de Yale en New Haven consiguieron xunir componentes cuánticos al traviés de superconductores.

D'esta miente apaez el primer bus cuánticu, y esti dispositivu amás puede ser utilizáu como memoria cuántica, reteniendo la información cuántica mientres un curtiu espaciu de tiempo antes de ser tresferíu al siguiente dispositivu.

#### 2008 - Almacenamientu

Según la Fundación Nacional de Ciencies (NSF) de los EE. XX., un equipu de científicos consiguió almacenar per primer vegada un Qubit nel interior del nucleu d'un átomu de fósforu, y pudieron faer que la información permaneciera intacta mientres 1.75 segundos. Esti periodu puede ser expansible por aciu métodos de correición d'errores, polo que ye una gran meyora nel almacenamientu d'información.

#### 2009 - Procesador cuánticu d'estáu sólidu

L'equipu d'investigadores estauxunidense dirixíu pol profesor Robert Schoelkopf, de la Universidá de Yale, que yá en 2007 desenvolviera'l Bus cuánticu, crea agora'l primer procesador cuánticu d'estáu sólidu, mecanismu que s'asemeya y funciona de forma similar a un microprocesador convencional, anque cola capacidá de realizar namái unes poques xeres bien simples, como operaciones aritmétiques o busques de datos.

Pa la comunicación nel dispositivu, esta realízase por aciu fotones que se mueven sobre'l bus cuánticu, circuitu electrónicu qu'almacena y mide fotones de microondes, aumentando'l tamañu d'un átomu artificialmente.

#### 2011 - Primer ordenador cuánticu vendida
El primer ordenador cuánticu comercial ye vendida pola empresa D-Wave Systems, fundada en 1999, a Lockheed Martin por 10 millones de dólares.

#### 2012 - Meyores en chips cuánticos
IBM anuncia que creó un chip lo suficientemente estable como pa dexar que la informática cuántica llegue a llares y empreses. Envalórase que nunos 10 o 12 años puedan tase comercializando los primeros sistemes cuánticos.

#### 2013 - Ordenador cuánticu más rápida qu'un ordenador convencional
N'abril la empresa D-Wave Systems llanza'l nuevu ordenador cuánticu D-Wave Two el cual ye 500 000 vegaes cimera al so antecesor D-Wave One, con un poder de cálculu de 439 cúbits. Realmente'l D-Wave Two tuvo graves problemes finalmente, yá que nun tenía les meyores de procesamientu teóriques frente al D-Wave One. Ésti foi comparáu con un ordenador basáu nel microprocesador Intel Xeon Y5-2690 a 2.9 GHz, teniendo en cuenta que la llogrando, esto ye, la resultancia en permediu de 4000 vegaes cimera.

**En 2016, Intel trabaya nel dominiu del siliciu pol primer ordenador cuánticu**

En mayu de 2017, IBM presenta un nuevu procesador cuánticu comercial, el más potente hasta la fecha de 17 cúbits.

## Ver tamién

* Computación basada n'ADN
* Criptografía cuántica
* Electrónica molecular
* Entrelazamiento cuánticu
* Fotónica
* Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA)
* Simulador cuánticu universal
* Teleportación cuántica

## Notes y referencies

## Bibliografía

***Ordenador cuánticu universal y la tesis de Church-Turing**
**Deutsch, D. "Quantum Theory, the Church-Turing Principle, and the Universal Quantum Computer" Proc. Roy. Soc. Lond. A400 (1985) páxs. 97–117.

***Usu d'ordenadores cuánticos p'asemeyar sistemes cuánticos**
**Feynman, R. P. "Simulating Physics with Computers" International Journal of Theoretical Physics, Vol. 21 (1982) páxs. 467–488.

***Computación Cuántica ya Información Cuántica**
**Nielsen, M. y Chuang, I. "Quantum Computation and Quantum Information" Cambridge University Press (September, 2000), ISBN 0-521-63503-9.

## Bibliografía complementaria
* Agustín Rayo, «Computación cuántica», *Investigación y Ciencia*, 405, xunu de 2010, páxs. 92-93.
* 

## Enllaces esternos
* Frecuencies Cuántiques

***Referencies xenerales**
**  Escritu por Sergi Bailla **
Computación cuántica Epistemowikia
** Qubit.org  (Centre for Quantum Computation) (n'inglés)
** Institute for Quantum Computing (n'inglés)
** Grupu d'Información y Computación Cuántica  de la Universidá Politéunica de Madrid.
** Computación, Información y Criptografía Cuántica na Comunidá de Madrid (QUITEMAD)
** QubitNews (n'inglés)
** Qwiki (Wiki sobre Computación Cuántica) (n'inglés)
** Artículos sobre física cuántica (llibre accesu) (n'inglés)
** Dellos tutoriales 
** L'ordenador Insuperable Artículu divulgativu de David Deutsch.
** Informática Cuántica  Hestoria, Modelos y Algoritmos.
**La Nación: Qubit x Qubit 
**
**
***Compañíes que desenvuelven ordenadores cuánticos**
**D-Wave Systems, Vancouver, BC, Canada
**IBM
***Patentes rellacionaes cola computación cuántica**
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