Experimentos de Supremacía Cuántica | Avances, Velocidad e Impacto

Experimentos de Supremacía Cuántica: avances recientes, velocidad de cálculo y su impacto en la ciencia y la tecnología. Conozca el futuro de la computación.

Experimentos de Supremacía Cuántica: Avances, Velocidad e Impacto

La supremacía cuántica es un hito en la computación cuántica donde una computadora cuántica realiza una tarea que sería prácticamente imposible para una computadora clásica. Este concepto se ha convertido en un área de investigación muy activa, con múltiples avances en los últimos años que prometen revolucionar el futuro de la computación.

Avances Recientes

Uno de los avances más significativos en el campo de la supremacía cuántica ocurrió en octubre de 2019, cuando Google anunció que su computadora cuántica, llamada Sycamore, había alcanzado la supremacía cuántica. Sycamore consistía en 54 qubits superconducidos, aunque solo 53 estaban operativos durante el experimento.

El experimento realizado por Google implicaba la ejecución de un cálculo específico: la muestreo de salidas de un circuito cuántico. La tarea era generar muestras de una distribución cuántica específica, lo cual es increíblemente complejo de simular en computadoras clásicas. Google reportó que su dispositivo Sycamore completó esta tarea en 200 segundos, mientras que estimaba que las mejores supercomputadoras existentes habrían tardado aproximadamente 10,000 años en realizar la misma tarea.

Teorías y Fundamentos

Para comprender los principios detrás de la supremacía cuántica, es crucial familiarizarse con algunos conceptos fundamentales de la teoría cuántica:

Qubit: La unidad básica de información en una computadora cuántica. A diferencia de un bit clásico que puede ser 0 o 1, un qubit puede estar en una superposición de ambos estados simultáneamente gracias a la propiedad cuántica denominada superposición.

Entrelazamiento Cuántico: Un fenómeno donde dos o más qubits se encuentran en un estado interdependiente tal que el estado de uno afecta instantáneamente al estado del otro, sin importar la distancia entre ellos.

Interferencia Cuántica: Un principio que permite a las ondas cuánticas de probabilidad interfieren constructivamente o destructivamente, jugando un papel esencial en la manipulación de qubits durante las operaciones de computación cuántica.

Velocidad de los Computadores Cuánticos

La velocidad de los computadores cuánticos es una de sus propiedades más impresionantes. Los tiempos de computación cuántica suelen ser muchos órdenes de magnitud más rápidos que los computadores clásicos debido a dos razones principales:

1. Procesamiento Paralelo: Debido a la superposición, un solo qubit puede representar múltiples estados simultáneamente. Cuando se aumenta el número de qubits, el sistema puede procesar una enorme cantidad de información de manera paralela.
2. Algoritmos Cuánticos: Algunos algoritmos, como el algoritmo de Shor para la factorización de números primos y el algoritmo de Grover para la búsqueda en bases de datos, son exponencialmente más rápidos que sus contrapartes clásicas. Shor’s Algorithm, por ejemplo, aprovecha la superposición y el entrelazamiento para factorizar un número grande en tiempo polinómico, en lugar del tiempo exponencial requerido por los mejores algoritmos clásicos conocidos.

Shor's Algorithm (Factorización):

\begin{eqnarray*}
N & : & \text{Número a factorizar} \\
x & : & \text{Número aleatorio entre 2 y } N-1 \\
\gcd(x,N) & : & \text{Si } \gcd(x,N) \ne 1, \text{entonces} x \text{ es un factor.} \\
QPE & : & \text{Quantumn Phase Estimation para encontrar el período } r. \\
\text{Periodo } r, & : & x^r \equiv 1 (\mod N) \\
\text{Si } r \text{ es par} & : & \text{entonces } (x^{r/2} + 1)(x^{r/2} - 1) \equiv 0 (\mod N)
\end{eqnarray*} 

Impacto en Diversas Áreas

Los potenciales impactos de la supremacía cuántica son vastos y variados, y se espera que afecten numerosos campos, incluyendo la criptografía, la química, la ciencia de materiales, y la optimización logística, entre otros:

Criptografía: La supremacía cuántica podría romper los sistemas de criptografía actuales basados en la dificultad computacional de ciertos problemas matemáticos, como la factorización de grandes números enteros. Algoritmos como el de Shor podrían hacer obsoletos muchos sistemas criptográficos actuales, destacando la necesidad de nuevas técnicas de criptografía cuántica segura.

Descubrimiento de Medicamentos: Los computadores cuánticos pueden simular moléculas complejas y sus interacciones más eficientemente que las computadoras clásicas, acelerando el proceso de descubrimiento de nuevos fármacos.

Optimización: Muchos problemas de optimización son NP-completos, lo que significa que su dificultad crece exponencialmente con el tamaño del problema. Los algoritmos cuánticos podrían brindar soluciones óptimas o casi óptimas en una fracción del tiempo requerido por los métodos clásicos.