Computadora cuántica

Una computadora cuántica es un dispositivo informático que utiliza los fenómenos de la mecánica cuántica ( superposición cuántica , entrelazamiento cuántico ) para transmitir y procesar datos. Una computadora cuántica (a diferencia de una convencional) no funciona con bits (capaces de tomar el valor de 0 o 1), sino con qubits que tienen valores de 0 y 1 al mismo tiempo. Teóricamente, esto permite procesar todos los estados posibles simultáneamente, logrando una ventaja significativa ( superioridad cuántica ) sobre las computadoras ordinarias en una serie de algoritmos [1] .

Una computadora cuántica universal completa sigue siendo un dispositivo hipotético , cuya posibilidad misma de construcción está asociada con un desarrollo serio de la teoría cuántica en el campo de muchas partículas y experimentos complejos; los desarrollos en esta área están asociados con los últimos descubrimientos y logros de la física moderna . A fines de la década de 2010, solo unos pocos sistemas experimentales estaban prácticamente implementados, ejecutando algoritmos fijos de baja complejidad.

El primer lenguaje de programación de alto nivel práctico para este tipo de computadora es Quipper , basado en Haskell [2] (ver Programación cuántica ).

Introducción

La historia de la computación cuántica comenzó a principios de la década de 1980 cuando el físico Paul Benioff propuso un modelo mecánico cuántico de la máquina de Turing en 1980.

La idea de la computación cuántica también fue expresada por Yuri Manin en 1980 [3] .

Uno de los primeros modelos de una computadora cuántica fue propuesto [4] por Richard Feynman en 1981. Pronto, Paul Benioff describió la base teórica para construir una computadora de este tipo [5] .

Además, el concepto de computadora cuántica fue propuesto en 1983 por Steven Wiesner en un artículo que había intentado publicar durante más de una década antes [6] [7] .

La necesidad de una computadora cuántica surge cuando tratamos de estudiar sistemas complejos de muchas partículas similares a los biológicos utilizando los métodos de la física. El espacio de estados cuánticos de tales sistemas crece exponencialmente a partir del número de partículas reales que los componen, lo que hace imposible modelar su comportamiento en computadoras clásicas ya por . Por ello, Wiesner y Feynman expresaron la idea de construir una computadora cuántica. $norte$ $n=10$

Una computadora cuántica no utiliza algoritmos ordinarios (clásicos) para la computación, sino procesos de naturaleza cuántica, los llamados algoritmos cuánticos , que utilizan efectos mecánicos cuánticos , como el paralelismo cuántico y el entrelazamiento cuántico .

Si un procesador clásico puede estar exactamente en uno de los estados en cada momento ( notación de Dirac ), entonces un procesador cuántico está simultáneamente en todos estos estados básicos en cada momento, y en cada estado tiene su propia amplitud compleja . Este estado cuántico se llama una " superposición cuántica " de los estados clásicos dados, y se denota como $|0\rangle ,|1\rangle ,\ldots ,|N-1\rangle$ $|j\ángulo$ $\lambda _{j}$

|\Psi \rangle =\sum \limits _{{j=0}}^{{N-1}}\lambda _{j}|j\rangle .

Los estados básicos también pueden tener una forma más compleja. Entonces, la superposición cuántica se puede ilustrar, por ejemplo, de la siguiente manera: “Imagina un átomo que podría sufrir una desintegración radiactiva en un cierto período de tiempo. O no exponerse. Podemos esperar que este átomo tenga solo dos estados posibles: "decaimiento" y "no decaimiento", <...> pero en la mecánica cuántica, un átomo puede tener algún tipo de estado combinado - "decaimiento-no-decaimiento", es decir , ni lo uno ni lo otro, sino entre. Este estado se llama “superposición”” [8] .

Un estado cuántico puede cambiar en el tiempo de dos maneras fundamentalmente diferentes: $|\psi\ángulo$

Operación cuántica unitaria (puerta cuántica, inglés quantum gate ), en adelante simplemente una operación.
Medición (observación).

Si los estados clásicos son las posiciones espaciales de un grupo de electrones en puntos cuánticos controlados por un campo externo , entonces la operación unitaria es la solución de la ecuación de Schrödinger para este potencial. $|j\ángulo$ $V$

Una medida es una variable aleatoria que toma valores con probabilidades, respectivamente. Esta es la regla de Born de la mecánica cuántica . La medición es la única forma de obtener información sobre un estado cuántico, ya que los valores son directamente inaccesibles para nosotros. La medida de un estado cuántico no puede reducirse a una evolución de Schrödinger unitaria, ya que, a diferencia de ésta, es irreversible. Al medir se produce el llamado colapso de la función de onda , cuya naturaleza física no está del todo clara. Las mediciones espontáneas de estados nocivos durante la computación conducen a la decoherencia, es decir, a la desviación de la evolución unitaria, que es el principal obstáculo para construir una computadora cuántica (ver implementaciones físicas de las computadoras cuánticas ). $|j\rangle ,\ j=0,1,\ldots ,N-1$ $|\lambda _{j}|^{2}$ $\lambda _{j}$ $|\psi\ángulo$

La computación cuántica es una secuencia de operaciones unitarias de tipo simple controladas por una computadora de control clásica (sobre uno, dos o tres qubits ). Al final del cálculo, se mide el estado del procesador cuántico, lo que da el resultado deseado del cálculo.

El contenido del concepto de “paralelismo cuántico” en computación se puede divulgar de la siguiente manera: “Los datos en el proceso de computación son información cuántica, que al final del proceso se convierte en información clásica midiendo el estado final del registro cuántico . La ganancia en los algoritmos cuánticos se logra debido al hecho de que al aplicar una operación cuántica, una gran cantidad de coeficientes de superposición de estados cuánticos, que en forma virtual contienen información clásica, se transforman simultáneamente” [9] .

Teoría

Qubit

La idea de la computación cuántica es que un sistema cuántico de L elementos cuánticos de dos niveles (bits cuánticos, qubits ) tiene 2 L estados linealmente independientes, lo que significa que, debido al principio de superposición cuántica , el espacio de estado de tal el registro cuántico es un espacio de Hilbert de 2 L dimensiones . Una operación en computación cuántica corresponde a rotar el vector de estado de un registro en este espacio. Por lo tanto, un dispositivo de computación cuántica con el tamaño de L qubits en realidad usa 2 L estados clásicos simultáneamente.

Los sistemas físicos que implementan qubits pueden ser cualquier objeto que tenga dos estados cuánticos: estados de polarización de fotones , estados electrónicos de átomos o iones aislados , estados de espín de núcleos atómicos, etc.

Un bit clásico puede estar en uno y solo uno de los estados o . Un bit cuántico, llamado qubit, está en el estado , de modo que | un |² y | b |² son las probabilidades de obtener 0 o 1, respectivamente, al medir este estado; ; | un |² + | b |² = 1. Inmediatamente después de la medición, el qubit pasa al estado cuántico básico correspondiente al resultado clásico. $|0\rango$ $|1\rango$ $|\psi \rangle =a\,|0\rangle +b\,|1\rangle$ $a,b\in \mathbb {C}$

Ejemplo:

Hay un qubit en un estado cuántico

{\tfrac {4}{5}}\,|0\rangle -{\tfrac {3}{5}}\,|1\rangle

En este caso, la probabilidad de obtener al medir

0	es	(4/5)² = 16/25	= 0,64,
una	es	(−3/5)² = 9/25	= 0,36.

En este caso, al medir, obtuvimos 0 con una probabilidad de 0,64. Como resultado de la medición, el qubit pasa a un nuevo estado cuántico , es decir, la próxima vez que se mida este qubit, obtendremos 0 con probabilidad unitaria (se supone que por defecto la operación unitaria es idéntica; en sistemas reales esto es no siempre es el caso).

|0\rango

Un ejemplo de la mecánica cuántica: un fotón se encuentra en un estado de superposición de dos polarizaciones. Este estado es un vector en un plano bidimensional, cuyo sistema de coordenadas se puede representar como dos ejes perpendiculares, por lo que existen proyecciones sobre estos ejes; la medida colapsa de una vez por todas el estado del fotón en uno de los estados o , y la probabilidad de colapso es igual al cuadrado de la proyección correspondiente. La probabilidad total se obtiene del teorema de Pitágoras . Al pasar a un sistema de dos qubits, la medida de cada uno de ellos puede dar 0 o 1. Por lo tanto, el sistema tiene 4 estados clásicos: 00, 01, 10 y 11. Estados cuánticos básicos similares a ellos: . Y finalmente, el estado cuántico general del sistema tiene la forma . Ahora | a |² es la probabilidad de medir 00 , etc. Tenga en cuenta que | un |² + | segundo |² + | do |² + | d |² = 1 como probabilidad total. $|\psi\ángulo$ $a$ $b$ $|\psi\ángulo$ $|0\rango$ $|1\rango$ $|00\ángulo,|01\ángulo,|10\ángulo,|11\ángulo$ $|\Psi \rangle =a\,|00\rangle +b\,|01\rangle +c\,|10\rangle +d\,|11\rangle$

Si medimos solo el primer qubit de un sistema cuántico en el estado , obtenemos: $|\psi\ángulo$

con probabilidad , el primer qubit irá al estado y el segundo al estado , ${\displaystyle p_{0}=|a|^{2}+|b|^{2))$ $|0\rango$ ${\tfrac {1}{\sqrt {|a|^{2}+|b|^{2))))(a\,|0\rangle +b\,|1\rangle )$
con probabilidad , el primer qubit irá al estado y el segundo al estado . $p_{1}=|c|^{2}+|d|^{2}$ $|1\rango$ ${\tfrac {1}{\sqrt {|c|^{2}+|d|^{2))))(c\,|0\rangle +d\,|1\rangle )$

En el primer caso, la medida dará el estado , en el segundo, el estado . $|\Psi _{0}\rangle =|0\rangle \otimes {\tfrac {1}{\sqrt {|a|^{2}+|b|^{2))))(a\ ,|0\ángulo +b\,|1\ángulo )$ $|\Psi _{1}\rangle =|1\rangle \otimes {\tfrac {1}{\sqrt {|c|^{2}+|d|^{2))))(c\ ,|0\ángulo +d\,|1\ángulo )$

El resultado de tal medida no puede escribirse como un vector en el espacio de estado de Hilbert . Tal estado, en el que está involucrada nuestra ignorancia de cuál será el resultado en el primer qubit, se llama estado mixto . En nuestro caso, dicho estado mixto se denomina proyección del estado inicial sobre el segundo qubit y se escribe como una matriz de densidad de la forma , donde la matriz de densidad de estado se define como . $|\psi\ángulo$ ${\ estilo de visualización \ rho _ {2} = p_ {0} \ rho _ {\ Psi _ {0}} + p_ {1} \ rho _ {\ Psi _ {1}}}$ $|\psi\ángulo$ ${\ estilo de visualización | \ psi \ rangle \ langle \ psi |}$

En general, un sistema de L qubits tiene 2 L estados clásicos (00000… ( L ceros),…00001 ( L dígitos),…, 11111… ( L unos)), cada uno de los cuales se puede medir con probabilidades 0–1.

Así, una operación sobre un grupo de qubits se calcula inmediatamente sobre todos sus valores posibles, a diferencia de un grupo de bits clásico, en el que solo se puede utilizar un valor actual. Esto proporciona un paralelismo de cálculos sin precedentes.

Cálculo

Un esquema de cálculo simplificado en una computadora cuántica se ve así: se toma un sistema de qubits , en el que se registra el estado inicial. Luego se cambia el estado del sistema o de sus subsistemas mediante transformaciones unitarias que realizan ciertas operaciones lógicas . Al final, se mide el valor, y este es el resultado de la computadora. El papel de los cables de una computadora clásica lo juegan los qubits , y el papel de los bloques lógicos de una computadora clásica lo juegan las transformaciones unitarias . Este concepto de procesador cuántico y puertas lógicas cuánticas fue propuesto en 1989 por David Deutsch . Además, David Deutsch en 1995 encontró un bloque lógico universal con el que se puede realizar cualquier computación cuántica.

Resulta que dos operaciones básicas son suficientes para construir cualquier cálculo. El sistema cuántico da un resultado que es correcto solo con cierta probabilidad. Pero debido a un pequeño aumento en las operaciones en el algoritmo, puede llevar arbitrariamente la probabilidad de obtener el resultado correcto a uno.

Con la ayuda de las operaciones cuánticas básicas, es posible simular el funcionamiento de los elementos lógicos ordinarios, de los que están hechos los ordenadores ordinarios. Por lo tanto, cualquier problema que se resuelva ahora, cualquier computadora cuántica lo resolverá, y en casi el mismo tiempo [10] .

La mayoría de las computadoras modernas funcionan de la misma manera: n bits de memoria almacenan el estado y el procesador los cambia en cada ciclo de reloj. En el caso cuántico, un sistema de n qubits se encuentra en un estado que es una superposición de todos los estados base, por lo que cambiar el sistema afecta a los 2n estados base simultáneamente. Teóricamente, el nuevo esquema puede funcionar mucho (por un número exponencial de veces) más rápido que el clásico. En la práctica, por ejemplo, el algoritmo de búsqueda de la base de datos cuántica de Grover muestra ganancias de potencia cuadráticas frente a los algoritmos clásicos.

Algoritmos

Algoritmos cuánticos básicos:

Algoritmo de Grover : le permite encontrar una solución a una ecuación en el tiempo ; $f(x)=1,\ 0\leqslant x<N$ $O({\raíz cuadrada {N)))$
Algoritmo de Shor : le permite factorizar un número natural n en factores primos en tiempo polinomial en log  n ;
el algoritmo de Zalka-Wiesner permite simular la evolución unitaria de un sistema cuántico de partículas en tiempo casi lineal utilizando qubits; $norte$ $En)$
el algoritmo Deutsch-Joji le permite determinar "en un solo cálculo" si la función de la variable binaria f ( n ) es constante ( f 1 ( n ) = 0, f 2 ( n ) = 1 independientemente de n ) o "equilibrada " ( f 3 ( 0) = 0, f 3 (1) = 1, f 4 (0) = 1, f 4 (1) = 0);
El algoritmo de Simon resuelve el problema de la caja negra exponencialmente más rápido que cualquier algoritmo clásico, incluidos los algoritmos probabilísticos.

Se ha demostrado que no todos los algoritmos son capaces de "aceleración cuántica". Además, la posibilidad de obtener aceleración cuántica para un algoritmo clásico arbitrario es muy rara [11] .

Un ejemplo de la implementación de la operación CNOT sobre los estados de carga de un electrón en puntos cuánticos

Cualquier operación cuántica se puede implementar utilizando una puerta lógica de negación controlada ( CNOT ) y cambiando el estado de un solo qubit [12] [13] .

Un qubit se puede representar como un electrón en un potencial de doble pozo, lo que significa que está en el pozo izquierdo y en el derecho. Esto se llama un qubit de estado de carga. Vista general del estado cuántico de tal electrón: . Su dependencia del tiempo es la dependencia del tiempo de las amplitudes ; viene dada por la ecuación de Schrödinger de la forma , donde , debido al mismo tipo de pozos y hermitianismo , el hamiltoniano tiene la forma de alguna constante , de modo que el vector es el vector propio de este hamiltoniano con el valor propio 0 (el so- llamado estado fundamental), y es el vector propio con el valor (el primer estado excitado). No hay otros estados propios (con un cierto valor de energía) aquí, ya que nuestro problema es bidimensional. $|0\rango$ $|1\rango$ $|\Psi \rangle =\lambda _{0}|0\rangle +\lambda _{1}|1\rangle$ ${\ estilo de visualización \ lambda _ {0}, \ lambda _ {1}}$ $i\hbar {\tfrac {\parcial }{\parcial t))\Psi =H\Psi$ $H$ ${\begin{pmatrix}a&-a\\-a&a\end{pmatrix}}$ $a$ $|{\tilde {0}}\rangle ={\tfrac {1}{\sqrt {2}}}(|0\rangle +|1\rangle )$ $|{\tilde {1}}\rangle ={\tfrac {1}{\sqrt {2}}}(|0\rangle -|1\rangle )$ $2a$

Dado que cada estado pasa con el tiempo al estado , luego para implementar la operación NOT (la transición y viceversa, basta con esperar el tiempo . Es decir, la operación NOT se implementa simplemente por la evolución cuántica natural del qubit , siempre que el potencial externo especifique una estructura de doble pozo; esto se hace usando tecnología de puntos cuánticos. $|\psi\ángulo$ $t$ $\lambda _{0}\exp(0t)|{\tilde {0}}\rangle +\lambda _{1}\exp(-2at/\hbar)|{\tilde {1}}\rangle$ $|0\ángulo \a |1\ángulo$ ${\ estilo de visualización t = \ pi \ hbar / (2a)}$

Para implementar CNOT , se deben colocar dos qubits (es decir, dos pares de pozos) perpendiculares entre sí y cada uno de ellos debe tener un electrón separado. Entonces, la constante para el primer par de pozos (controlables) dependerá del estado del electrón en el segundo par de pozos (controladores): si está más cerca del primero, será más, si está más lejos, menos. Por lo tanto, el estado del electrón en el segundo par determina el tiempo del NOT en el primer pozo, lo que le permite elegir nuevamente la duración deseada para la implementación de la operación CNOT. $a$ $a$

Este esquema es muy aproximado e idealizado; los circuitos reales son más complicados y su implementación presenta un desafío para la física experimental.

Teletransportación cuántica

El algoritmo de teletransportación implementa la transferencia exacta del estado de un qubit (o sistema) a otro. El esquema más simple utiliza 3 qubits: un qubit teleportable y un par entrelazado , uno de los cuales está en el otro lado. Tenga en cuenta que, como resultado de la operación del algoritmo, se destruirá el estado inicial de la fuente; este es un ejemplo de la operación del principio general de la imposibilidad de clonación : es imposible crear una copia exacta del cuanto estado sin destruir el original. No será posible copiar un estado arbitrario , y la teletransportación es un reemplazo de esta operación.

La teletransportación le permite transferir el estado cuántico del sistema utilizando canales de comunicación clásicos convencionales. Así, es posible, en particular, obtener el estado ligado de un sistema que consta de subsistemas que están alejados a una gran distancia. Esto hace posible construir sistemas de comunicación que, en principio, no son susceptibles de espionaje (en el segmento entre dispositivos "cuánticos").

Posibles aplicaciones

Aplicaciones a la criptografía

Debido a la enorme velocidad de descomposición en factores primos, una computadora cuántica permitirá descifrar los mensajes cifrados con el algoritmo criptográfico RSA , ampliamente utilizado . Hasta ahora, este algoritmo se considera relativamente confiable, ya que actualmente se desconoce una forma efectiva de factorizar números en factores primos para una computadora clásica. Para, por ejemplo, acceder a una tarjeta de crédito[ aclarar ] , debe factorizar un número de cientos de dígitos en dos factores primos (incluso para las supercomputadoras , esta tarea llevaría cientos de veces más que la edad del universo ). Gracias al algoritmo cuántico de Shor , esta tarea se vuelve bastante factible si se construye una computadora cuántica. En este sentido, cobra especial relevancia la investigación sobre criptografía poscuántica, algoritmos criptográficos que proporcionan confidencialidad ante ataques cuánticos.

La aplicación de las ideas de la mecánica cuántica ya ha abierto una nueva era en el campo de la criptografía, ya que los métodos de la criptografía cuántica abren nuevas posibilidades en el campo del paso de mensajes [14] . Se están desarrollando prototipos de sistemas de este tipo [15] .

Investigación en inteligencia artificial

El aprendizaje automático cuántico hace posible manipular grandes cantidades de datos en un solo paso y modelar una red neuronal de tamaño exponencial [16] . En 2013, Google Corporation anunció la apertura de un laboratorio para la investigación cuántica en el campo de la inteligencia artificial [10] . El Grupo Volkswagen está investigando el uso de computadoras cuánticas para el desarrollo de un vehículo no tripulado y nuevos tipos de baterías (utilizando computadoras cuánticas Google y D-Wave ). En noviembre de 2018, la empresa anunció el desarrollo de un sistema de control de tráfico (con la integración de vehículos no tripulados en él) que funciona con computadoras cuánticas D-Wave . [17]

Modelado molecular

Se supone que con la ayuda de las computadoras cuánticas será posible modelar con precisión las interacciones moleculares y las reacciones químicas. Las reacciones químicas son de naturaleza cuántica. Para las computadoras clásicas, solo está disponible el cálculo del comportamiento de moléculas relativamente simples [18] . Según los expertos, la simulación en computadoras cuánticas abre nuevas perspectivas para el desarrollo de la industria química , en particular, en la creación de fármacos [19] .

Implementaciones físicas de computadoras cuánticas

Construir una computadora cuántica en forma de dispositivo físico real es un problema fundamental de la física del siglo XXI. A principios de 2018, solo se han construido versiones limitadas de una computadora cuántica (los registros cuánticos construidos más grandes tienen varias docenas de qubits acoplados [20] [21] [22] ). Hay opiniones escépticas sobre una serie de perspectivas para la computación cuántica:

La implementación práctica de un ordenador cuántico se basa en manipular a nivel microscópico y con grandiosa precisión un sistema físico multielemento con grados de libertad continuos. Obviamente, para un sistema suficientemente grande, cuántico o clásico, esta tarea se vuelve imposible, por lo que tales sistemas pasan del dominio de la física microscópica al campo de la física estadística. ¿El sistema de N = 10 3 ÷ 10 5 espines cuánticos necesarios para superar a una computadora clásica en la resolución de un número limitado de problemas especiales es lo suficientemente grande en este sentido? ¿Podremos aprender alguna vez a controlar las 10.300 (al menos) amplitudes que determinan el estado cuántico de dicho sistema? Mi respuesta es no, nunca .

— M. I. Dyakonov , “¿Alguna vez tendremos una computadora cuántica?” [23]

Principios de implementación física

Las principales tecnologías para una computadora cuántica:

Puntos cuánticos de estado sólido en semiconductores : los estados de carga (la presencia o ausencia de un electrón en un punto determinado) o la dirección del electrón y/o el espín nuclear en un punto cuántico determinado se utilizan como qubits lógicos. Control mediante potenciales externos o pulso láser .
Elementos superconductores ( uniones Josephson , SQUIDs , etc.). La presencia/ausencia de un par de Cooper en una determinada región espacial se utiliza como qubits lógicos . Control: potencial externo / flujo magnético.
Iones en vacío Paul atrapa (o átomos en trampas ópticas ). El estado fundamental/excitado del electrón externo en el ion se utiliza como qubits lógicos. Control: pulsos de láser clásicos a lo largo del eje de la trampa o dirigidos a iones individuales + modos de vibración del conjunto de iones. Este esquema fue propuesto en 1994 por Peter Zoller y Juan Ignacio Sirac [13] [24] .
Tecnologías mixtas: el uso de estados entrelazados de fotones preparados previamente para controlar conjuntos atómicos o como controles para redes informáticas clásicas.
Tecnologías ópticas: utilizando la generación de estados cuánticos de luz, control rápido y sintonizable de estos estados y su detección. [25] [26]

Los principales problemas asociados con la creación y aplicación de computadoras cuánticas:

es necesario garantizar una alta precisión de medición;
las influencias externas (incluida la transmisión de los resultados obtenidos) pueden destruir el sistema cuántico o introducir distorsiones en él.

Cuantos más qubits hay en un estado vinculado, menos estable es el sistema. Lograr la "supremacía cuántica" requiere una computadora con muchas docenas de qubits acoplados que operen de manera estable y con pocos errores. La cuestión de hasta qué punto se puede escalar un dispositivo de este tipo (el llamado "problema de escalado") es el tema de un nuevo campo en rápido desarrollo: la mecánica cuántica de muchas partículas . La pregunta central aquí es sobre la naturaleza de la decoherencia (más precisamente, sobre el colapso de la función de onda ), que aún está abierta. Varias interpretaciones de este proceso se pueden encontrar en los libros [27] [28] [29] .

A finales del siglo XX y XXI, muchos laboratorios científicos crearon procesadores cuánticos de un solo qubit (esencialmente, sistemas controlados de dos niveles en los que se podía asumir la posibilidad de escalar a muchos qubits).

Muestras experimentales

A fines de 2001, IBM anunció que había probado con éxito una computadora cuántica de 7 qubits implementada mediante resonancia magnética nuclear . Sobre él se ejecutó el algoritmo de Shor y se encontraron los factores del número 15 [30] .

En 2005, un grupo de Yu. Pashkin (candidato de ciencias físicas y matemáticas, investigador principal del Laboratorio de Superconductividad de Moscú) con la ayuda de especialistas japoneses construyó un procesador cuántico de dos qubits basado en elementos superconductores [31] .

En noviembre de 2009, físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (EE. UU.) lograron por primera vez ensamblar una computadora cuántica programable que consta de dos qubits [32] .

En febrero de 2012, IBM anunció avances significativos en la implementación física de la computación cuántica utilizando qubits superconductores conectados a microcircuitos de silicio, lo que, según la compañía, permitirá comenzar a trabajar en la creación de una computadora cuántica [33] .

En abril de 2012, un equipo de investigadores de la Universidad del Sur de California , la Universidad Tecnológica de Delft , la Universidad Estatal de Iowa y la Universidad de California, Santa Bárbara , logró construir una computadora cuántica de dos qubits en un cristal de diamante dopado . La computadora opera a temperatura ambiente y es teóricamente escalable. Como dos qubits lógicos, se utilizaron las direcciones del espín del electrón y del núcleo de nitrógeno , respectivamente. Para brindar protección contra la influencia de la decoherencia, se desarrolló un sistema completo que formaba un pulso de radiación de microondas de cierta duración y forma. Con la ayuda de esta computadora, se implementó el algoritmo de Grover para cuatro variantes de enumeración, lo que permitió obtener la respuesta correcta en el primer intento en el 95% de los casos [34] [35] .

En julio de 2017, un grupo de físicos dirigido por Mikhail Lukin , cofundador del Russian Quantum Center y profesor de la Universidad de Harvard, creó un simulador cuántico programable de 51 qubits [36] . Este es el sistema más complejo de su tipo que existe en ese momento. Los autores probaron el rendimiento del simulador simulando un sistema complejo de muchas partículas, lo que permitió a los físicos predecir algunos efectos previamente desconocidos [37] . Casi al mismo tiempo, otro grupo de científicos de la Universidad de Maryland , dirigido por Christopher Monro , creó un simulador de 53 qubits basado en iones en una trampa óptica [38] [39] . Sin embargo, ninguno de estos sistemas es una computadora universal, sino que están diseñados para resolver un problema [40] [38] .

En noviembre de 2017, los científicos de IBM construyeron y probaron con éxito un prototipo de procesador con 50 qubits [41] [42] [43] .

En enero de 2018, el director ejecutivo de Intel , Brian Krzanich, anunció la creación de un chip cuántico superconductor, cuyo nombre en código es "Tangle Lake", con 49 qubits. Según su pronóstico, las computadoras cuánticas ayudarán en la creación de medicamentos, modelos financieros y pronósticos meteorológicos. Intel está desarrollando computadoras cuánticas en dos direcciones: la creación de dispositivos basados en superconductores y microcircuitos de silicio con "spin qubits" [44] [45]

En marzo de 2018, Google anunció que había logrado construir un procesador cuántico Bristlecone de 72 qubits con una baja probabilidad de errores informáticos. La compañía no reveló las características detalladas del dispositivo, pero afirma que le permite lograr una "superioridad cuántica". Según los expertos de Google, para que una computadora cuántica pueda resolver problemas que son inaccesibles para las computadoras "ordinarias", se deben cumplir las siguientes condiciones: debe incluir al menos 49 qubits, la "profundidad" ( ing. circuit depth ) debe superar los 40 qubits y la probabilidad de error en un elemento lógico de dos qubits no debe superar el 0,5 %. Representantes de la empresa expresaron la esperanza de que en el futuro puedan alcanzar estos indicadores. [46] [47]

En diciembre de 2018, se anunció el desarrollo de un microchip óptico, que se planea utilizar como parte integral de una computadora cuántica en el futuro. [25] [26]

En enero de 2019, IBM presentó la primera computadora cuántica comercial del mundo IBM Q System One [48] [49] .

En octubre de 2019, Google anunció que había logrado construir el procesador cuántico superconductor Sycamore de 53 qubits y demostró una "superioridad cuántica" sobre las computadoras convencionales [50] [51] [52] .

En diciembre de 2020, investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China publicaron un artículo en el que afirmaban que su computadora cuántica Jiuzhang podía lograr la supremacía cuántica. En apenas unos minutos logró llevar a cabo una operación que habría sido resuelta de la forma tradicional durante unos dos mil millones de años. La computadora funciona sobre la base de computadoras cuánticas ópticas (los qubits se basan en fotones) utilizando "muestreo bosónico". [53]

En 2021, científicos chinos dirigidos por Pan Jianwei crearon dos prototipos de computadoras cuánticas:

procesador cuántico superconductor Zu Chongzhi 2.1 con 66 qubits;
computadora cuántica "Jiuzhan-2.0" con 113 fotones detectados (qubits), resolviendo el problema de muestrear bosones gaussianos septillones de veces más rápido (30 billones de años por milisegundo) que las supercomputadoras más productivas [54] [55] .

A fines de 2021, IBM presentó su nuevo procesador cuántico basado en qubits superconductores, llamado Eagle ("Eagle") , que forma parte de un programa para crear computadoras súper rápidas. El nuevo chip tiene 127 qubits, el doble del tamaño de los procesadores cuánticos anteriores de IBM [56] .

Computadoras adiabáticas D-Wave

Desde 2007, la empresa canadiense D-Wave Systems ha anunciado la creación de varias versiones de una computadora cuántica: desde 16 qubit hasta 2000 qubit. Las computadoras D-Wave son adecuadas para resolver solo una clase limitada de problemas. Algunos investigadores han expresado dudas de que las computadoras de la compañía realmente logren una "aceleración cuántica" significativa, sin embargo, las computadoras D-Wave (ofrecidas a precios de 10-15 millones de dólares ) fueron compradas por Google , Lockheed Martin y Temporal Defense Systems , así como por la NASA . y Los Ángeles Laboratorio Nacional de Álamos . [57] [58]

En diciembre de 2015, los expertos de Google confirmaron que, según su investigación, la computadora D-Wave utiliza efectos cuánticos. Al mismo tiempo, en una computadora de "1000 qubits", los qubits se organizan en grupos de 8 qubits cada uno. Sin embargo, esto hizo posible lograr un rendimiento 100 millones de veces más rápido (en comparación con una computadora convencional) en uno de los algoritmos. [59]

En febrero de 2022, el Centro de Investigación de Jülich en Alemania lanzó una supercomputadora cuántica con más de 5000 qubits. La computadora se creó sobre la base del sistema canadiense D-Wave con acceso remoto a la nube. Este desarrollo cuántico está diseñado para resolver problemas de optimización y muestreo. Para realizar la aplicación comercial de la computación cuántica, el centro alemán creó la Infraestructura de Usuario de Jülich para Computación Cuántica (JUNIQ) para proporcionar acceso a este tipo de computación a varios grupos de usuarios y empresas en Europa. [60]

Notas

↑ Alexander Ershov. Supremacía Cuántica // Mecánica Popular . - 2018. - Nº 5 . - S. 54-59 .
↑ Sophie Hebden. El nuevo lenguaje ayuda a los codificadores cuánticos a crear aplicaciones increíbles . Nuevo científico (5 de julio de 2014). Consultado el 20 de julio de 2014. Archivado desde el original el 14 de agosto de 2014. (indefinido)
↑ Manin Yu. I. Computable y no computable. - M . : Sov. Radio, 1980. - S. 15. - 128 p. - (Cibernética).
↑ Feynman RP Simulación de física con computadoras // Revista internacional de física teórica. - 1982. - vol. 21 , edición. 6 _ - Pág. 467-488 . -doi : 10.1007/ BF02650179 . El artículo es el texto de un informe en una conferencia en el MIT en 1981.
↑ P. Benioff. Modelos hamiltonianos de mecánica cuántica de máquinas de turing // Journal of Statistical Physics : diario. - 1982. - vol. 29 , núm. 3 . - Pág. 515-546 . -doi : 10.1007/ BF01342185 . - .
↑ S. Weisner Codificación conjugada (inglés) // Association for Computing Machinery , Grupo de interés especial en algoritmos y teoría de la computación. - 1983. - vol. 15 _ - Pág. 78-88 .
↑ Zelinger A. Danza de los fotones: de Einstein a la teletransportación cuántica . - Nueva York: Farrar, Straus & Giroux, 2010. - P. 189 , 192. - ISBN 0-374-23966-5 .
↑ Leah Henderson y Vlatko Vedral, Quantum entanglement Archivado el 15 de junio de 2018 en Wayback Machine // Center for Quantum Information and Foundations, Cambridge.
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diccionarios y enciclopedias

En catálogos bibliográficos
BNE : XX556504 BNF : 135068781 TIERRA : 4533372-5 J9U : 987007566220005171 LCCN : sh98002795 NDL : 01072652 NKC : ph184827

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