Computación Cuantica.
Por: Sergi Baila Martínez (www.sargue.net)
El tema de la computación cuántica es un tema basto y emergente, que abarca desde la teoría de la información clásica hasta la física de partículas, pasando por la informática y la teoría matemática del tratamiento de la información. Quizá se puede englobar todo en un superconjunto que incluya la computación cuántica junto con otras disciplinas de una importancia cada vez mayor para conseguir llegar a comprender los fundamentos de la mecánica cuántica y el mundo natural.
Este superconjunto es a lo que se llama teoría de la información cuántica.
Información cuántica
Como ya se ha dicho antes, la información cuántica es una rama de la ciencia bastante nueva, pero es no quiere decir que nos podamos escapar de unas cuantas definiciones.
Antes de entrar en las definiciones, hace falta aclarar que en algunas aparecen dos personajes ficticios: Alice y Bob. Estos dos personajes ya son famosos entre los investigadores, ya que se usan en multitud de ejemplos. Nosotros haremos lo mismo.
Es la unidad mínima de información cuántica. Puede verse como un sistema de dos estados, como un spin o un átomo de dos niveles, pero cuando lo usamos para medir información en qubits, estamos realmente haciendo algo más abstracto: un sistema cuántico se dice que tiene n qubits si tiene un espacio de Hilbert de 2
n dimensiones y dispone por tanto de 2n
La notación para escribir qubits es una lista de estados ortogonales con un número binario para cada estado. Por ejemplo, dos estados ortogonales con un número binario para cada estado. Por ejemplo, dos estados ortogonales de un solo qubit se pueden escribir como { |0
〉 , |1〉 }. Para tres qubits tenemos: { |000 〉, |001〉, |010〉, |011〉, |100〉, |101〉, |110〉, |111〉 }.
Puertas cuánticas
Las operaciones unitarias simples sobre qubits se llaman puertas cuánticas, de manera análoga a las puertas lógicas de un sistema clásico. Toda puerta cuántica ha de ser reversible, lo que implica que toda operación que queramos llevar a cabo sobre un ordenador cuántico ha de ser reversible. Esto puede parecer, en un primer momento, un problema grave, porque la mayoría de puertas lógicas clásicas no son reversibles: si hacemos la operación AND sobre dos bits, obtenemos un bit del que no podemos volver a los dos bits originales sin alguna información extra.
La solución pasa por usar unas puertas modificadas, que trabajen con más bits, de forma que vayamos guardando siempre información suficiente para volver atrás.
Los ordenadores cuánticos han demostrado, teóricamente aún, que son capaces de hacer los cálculos necesarios para desencriptar un mensaje codificado mediante estas técnicas en un tiempo razonable. De momento, todavía no disponemos de computadores cuánticos útiles para estas tareas, pero en el momento que ésto sea posible, todos los sistemas de comunicación segura que hay hoy día serán completamente inútiles.
Afortunadamente, la propia teoría que puede destruir éstos sistemas nos ofrece una alternativa todavía mejor: la criptografía cuántica. Basada en el principio de incertidumbre de Heisenberg, y en el embrollamiento cuántico, la criptografía cuántica proporciona un método para que dos partes intercambien una clave de encriptación con una seguridad absoluta, garantizada por las propias leyes de la física.
Actualmente hay tres métodos de sistemas criptográficos cuánticos. Por ejemplo, hay uno basado en el embrollamiento cuántico y el teorema de Bell, propuesto por A. K. Ekert en 1990. La idea básica es transmitir una secuencia de parejas de partículas correlacionadas, con un miembro de cada pareja conocido por cada parte. Un espía en esta comunicación tendría que leer alguna de las partículas, y retransmitirla para que su presencia siguiese desconocida. Sin embargo, el acto de la detección de una partícula de un par destruiría su correlación, y las dos partes lo podrían verificar sin ninguna dificultad usando cualquier medio de comunicación abierto, sin necesidad de mostrar los resultados de sus descubrimientos. En la práctica, éstos sistemas ya funcionan en los laboratorios, y de hecho, con la tecnología actual es posible implementar sistemas de distribución de claves sobre grandes redes de área local (algunos kilómetros) transmitiendo a 20K por segundo.
8. Perspectivas de futuro
Las palabras “computación” y “cuántica” juntas suenan muy espectaculares y han generado, y generan a veces, artículos en prensa no especializada (en física) que nos ponen en un par de décadas un computador cuántico en la mesa. Nada más lejos de la realidad. Los computadores cuánticos nunca sustituirán los computadores clásicos de la misma forma que para calcular la trayectoria de un misil no se usa la teoría de la relatividad general simplemente porque no hace falta complicarse la vida: la teoría de gravitación de Newton, más simple, es más que suficiente.
De la misma manera, la mayoría de los problemas computacionales pueden ser resueltos con la misma eficiencia por un sistema cuántico y por uno clásico. ¿Por qué complicarnos con un sistema mucho más complejo (y caro) si lo podemos hacer con un simple PC? Los ordenadores cuánticos serán máquinas muy útiles para problemas que son inabordables mediante ordenadores clásicos, pero difícilmente los llegaran a sustituir nunca.
