Arquitectura de Computadoras - Computadoras Cuanticas

Una computadora Cuántico realiza las operaciones en bits cuánticos, llamados qubits. Un qubit al igual que un bit clásico puede estar en dos estados, cero o uno. El qubit se diferencia del bit clásico en que, debido a las propiedades de la mecánica cuántica, puede estar simultáneamente en ambos estados. Un qubit que contiene los valores cero y uno a la vez se dice que está en superposición de los estados cero y uno. Este estado de superposición es persistente hasta que el qubit es externamente medido. Al medir un qubit, su estado se ve forzado a tomar un solo valor. Porque la medición determina el valor del qubis, los posibles estados que existen deben describirse antes de realizar la medición en términos de su probabilidad de ocurrencia.

Figura 4.- La Superposición Coherente de bits cuánticos (Qubits), permite que un bit posea dos valores (0 y 1) a la vez.

La superposición cuántica, permite que un registro que contiene M qubits pueda representar valores simultáneos. Al realizar un cálculo usando este registro se producen todos los resultados posibles para los valores de entrada obteniendo así un paralelismo exponencial. Sin embargo para leer los resultados de un cálculo los qubits deben ser medidos. Esta medida forza a que el qubit tome un valor particular y se destruya el estado paralelo (descoherencia). El desafío es entonces inventar cálculos cuánticos donde una propiedad pueda derivarse del estado paralelo en un tiempo no exponencial antes de realizar una medida.

Figura 5.- Registro de tres qubits.

Las ocho salidas se obtienen en un mismo instante de tiempo.

En 1993 un grupo de Investigadores: Chales H. Bennet, de IBM; Gilles Brassard, Claude Crépeau y Richard Joasza, de la Universidad de Montreal; Asher Peres, del Instituto de Tecnología de Israel (Technion) y William Wootters, del Williams College, descubrieron que un rasgo particular pero fundamental de la mecánica cuántica llamado enlazamiento (enredo), podía utilizarse para superar las limitaciones de la teoría del quantum aplicada a la construcción de Computadoras Cuánticas y a la Teletransportación.

Figura 6.- A la Izquierda dos qubits con enredo y a la derecha dos qubits sin enredo.

Para explicar como funciona este principio supongamos que tenemos un par de dados. Lanzamos el par de dados al mismo tiempo y obtenemos dos 3. Los lanzamos por segunda vez y obtenemos dos 6. A la tercera, obtenemos dos 1. Los resultados siempre coinciden. Los dados de este ejemplo funcionan como si fueran partículas cuánticas enlazadas. Cada objeto es independiente, pero su pareja enlazada logra siempre, de alguna forma, generar resultados que coinciden perfectamente con los del primer dado. Este comportamiento se ha estudiado intensamente con partículas enlazadas reales: pares de átomos, iones o protones que se enlazan mediante propiedades como la polarización.

Si cada qubit se toma individualmente, A y B tienen igual probabilidad de ser cero o uno para el par con enredo y sin enredo de qubits. En el par enredado si un qubit es medido el valor el valor del otro es determinado inmediatamente. Para el par sin enredo el medir un qubit no afecta las probabilidades del otro qubit. Este enredo (enlazamiento) que puede existir entre cualquiera o todos los qubits es la razón para que se necesite un número exponencial de amplitudes complejas si se desea representar el estado del qubit.