Para ayudar recientemente en una tarea universitaria me toco explicarle a alguien el concepto de procesadores cuánticos de manera muy básica, por eso aunque es algo que ya muchos conocemos y hemos leído, se me ocurrió que era buena excusa para, para ver los últimos avances sobre el tema así como su posible implementación definitiva.
Para eso como es de costumbre primero hagamos un repaso sobre lo que es el concepto; iniciando con que los procesadores, ese elemento electrónico que se encarga de interpretar - procesar los datos de los programas con el hardware y que es el negocio fundamental de Intel y AMD, es la parte quizás más importante de una computadora. Es un sistema de circuitos integrados los cuales sustituyeron en el siglo XX a los tubos de vacío y válvulas de las primeras computadoras, hoy en día son el corazón de un teléfono celular o un horno microondas. Su velocidad viene dada por el numero de transistores (generalmente de silicio) que se podían colocar por pulgada, y el trabajo se resumió a hacer de estos cada vez más pequeños para elevar el número de MHz de los procesadores.
Ley de Moore
La Ley de Moore expresa que aproximadamente cada 18 meses se duplica el número de transistores en un circuito integrado.1 Se trata de una ley empírica, formulada por el co-fundador de Intel, Gordon E. Moore el 19 de abril de 1965, cuyo cumplimiento se ha podido constatar hasta hoy. Más tarde, en 1975, modificó su propia ley al afirmar que el ritmo bajaría, y que la capacidad de integración se duplicaría aproximadamente cada 24 meses. Sin embargo, el propio Moore ha puesto fecha de caducidad a su ley: "Mi ley dejará de cumplirse dentro de 10 o 15 años -desde 2007-".6 Según aseguró durante la conferencia en la que hizo su predicción afirmó, no obstante, que una nueva tecnología vendrá a suplir a la actual.
Teoría de la relatividad de Einstein
El inicio de los procesadores va en orden cronológico con el inicio de la mecanica cuántica producto del aporte de muchísima gente y donde resaltamos el aporte de la teoría de la relatividad en 1905 (en donde está la famosa e=mc^2) de Albert Einstein que entre otras cosas trabajo en lo que seria el inicio de la mecanica cuántica.
Procesadores Cuánticos
La idea surge en 1981, cuando Paul Benioff expuso su teoría para aprovechar las leyes cuánticas en el entorno de la computación. En vez de trabajar a nivel de voltajes eléctricos, se trabaja a nivel cuántico. En la computación digital, un bit sólo puede tomar dos valores: 0 ó 1. En cambio, en la computación cuántica, intervienen las leyes de la mecánica cuántica, y la partícula puede estar en superposición coherente: puede ser 0, 1 y puede ser 0 y 1 a la vez (dos estados ortogonales de una partícula subatómica). Eso permite que se puedan realizar varias operaciones a la vez, según el número de qubits.
El número de qubits indica la cantidad de bits que pueden estar en superposición. Con los bits convencionales, si teníamos un registro de tres bits, había ocho valores posibles y el registro sólo podía tomar uno de esos valores. En cambio, si tenemos un vector de tres qubits, la partícula puede tomar ocho valores distintos a la vez gracias a la superposición cuántica. Así un vector de tres qubits permitiría un total de ocho operaciones paralelas. Como cabe esperar, el número de operaciones es exponencial con respecto al número de qubits. Para hacerse una idea del gran avance, un computador cuántico de 30 qubits equivaldría a un procesador convencional de 10 teraflops (millones de millones de operaciones en coma flotante por segundo) cuando actualmente las computadoras trabajan en el orden de gigaflops (miles de millones de operaciones).
Implicaciones
La consecuencia directa de la Ley de Moore es que los precios bajan al mismo tiempo que las prestaciones suben: la computadora que hoy vale 3000 dólares costará la mitad al año siguiente y estará obsoleta en dos años. En 26 años el número de transistores en un chip se ha incrementado 3200 veces.
Al tomar como referencia para una nueva ley sobre el avance de procesamiento que sustituya la ley de Moore dentro de los procesadores; adaptándola con el salto exponencial de los procesadores cuánticos, los costos, las prestaciones y los tamaños que tendrán permitiendo un mayor campo de aplicación quizás nano-procesadores aplicables a dispositivos y computadoras microscópicas. Las implicaciones de este campo podrían representar todo un nuevo salto tecnológico de repercusiones incalculables.
Ultimas Actualizaciones (Fuente Externa)
Para actualizarnos sobre el tema les comparto un resumen encontrado en internet donde se puede apreciar los últimos avances en una vista de tipo cronológico que nos permite saber actualmente como se desarrolla el avance de los procesadores cuánticos y los distintos tipos de modelos que se disputan el estándar producto del correcto manejo de la probabilidad de posición de los electrones y el cálculo en tiempo del estas 0 y 1 de los qubits.
2000 - Continúan los progresos
De nuevo IBM, dirigido por Isaac Chuang (Figura 4.1), creó un computador cuántico de 5-Qbit capaz de ejecutar un algoritmo de búsqueda de orden, que forma parte del Algoritmo de Shor. Este algoritmo se ejecutaba en un simple paso cuando en un computador tradicional requeriría de numerosas iteraciones. Ese mismo año, científicos de Los Álamos National Laboratory (EE.UU) anunciaron el desarrollo de un computador cuántico de 7-Qbit. Utilizando un resonador magnético nuclear se consiguen aplicar pulsos electromagnéticos y permite emular la codificación en bits de los computadores tradicionales.
2001 - El algoritmo de Shor ejecutado
IBM y la Universidad de Stanford, consiguen ejecutar por primera vez el algoritmo de Shor en el primer computador cuántico de 7-Qbit desarrollado en Los Álamos. En el experimento se calcularon los factores primos de 15, dando el resultado correcto de 3 y 5 utilizando para ello 1018 moléculas, cada una de ellas con 7 átomos.
2005 - El primer Qbyte
El Instituto de “Quantum Optics and Quantum Information” en la universidad de Innsbruck (Austria) anunció que sus científicos habían creado el primer Qbyte, una serie de 8 Qbits utilizando trampas de iones.
2006 - Mejoras en el control del cuanto
Científicos en Waterloo y Massachusetts diseñan métodos para mejorar el control del cuanto y consiguen desarrollar un sistema de 12-Qbits. El control del cuanto se hace cada vez más complejo a medida que aumenta el número de Qbits empleados por los computadores.
2007 - D-Wave
La compañía canadiense D-Wave presenta públicamente su primer computador cuántico de 16 Qbit. Entre las aplicaciones que presenta para su sistema, se encuentra un sistema gestor de bases de datos y un algoritmo que soluciona Sudokus. Todo ello a través de una interfaz gráfica similar a la utilizada en los computadores actuales, tratándose del primer acercamiento de la computación cuántica al mundo comercial y no tan científico.
2007 - Bus cuántico
En septiembre de 2007, dos equipos de investigación estadounidenses, el National Institute of Standards (NIST) de Boulder y la Universidad de Yale en New Haven consiguieron unir componentes cuánticos a través de superconductores. De este modo aparece el primer bus cuántico, y este dispositivo además puede ser utilizado como memoria cuántica, reteniendo la información cuántica durante un corto espacio de tiempo antes de ser transferido al siguiente dispositivo.
2008 - Almacenamiento
Según la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) de los EEUU, un equipo de científicos consiguió almacenar por primera vez un Qubit (el equivalente a un "bit" del "mundo clásico", pero en el "mundo cuántico") en el interior del núcleo de un átomo de fósforo, y pudieron hacer que la información permaneciera intacta durante 1.75 segundos. Este periodo puede ser expansible mediante métodos de corrección de errores, por lo que es un gran avance en el almacenamiento de información.
2009 - Procesador cuántico de estado sólido
El equipo de investigadores estadounidense dirigido por el profesor Robert Schoelkopf, de la universidad de Yale, que ya en 2007 había desarrollado el Bus cuántico, crea ahora el primer procesador cuántico de estado sólido, mecanismo que se asemeja y funciona de forma similar a un microprocesador convencional, aunque con la capacidad de realizar sólo unas pocas tareas muy simples, como operaciones aritméticas o búsquedas de datos. Para la comunicación en el dispositivo, esta se realiza mediante fotones que se desplazan sobre el bus cuántico, circuito electrónico que almacena y mide fotones de microondas, aumentando el tamaño de un átomo artificialmente.
