Tecnología de la información cuántica

La tecnología cuántica de la información (QIT ) es un campo en rápido avance que aprovecha la mecánica cuántica para manipular la información de formas novedosas, lo que supone grandes mejoras con respecto a las tecnologías clásicas. La QIT aprovecha fenómenos cuánticos como la superposición y el entrelazamiento cuántico para superar los retos del almacenamiento, procesamiento, transmisión y seguridad de la información. El campo de las TCI abarca un espectro de aplicaciones que aprovechan los sistemas cuánticos, como la computación, la detección y las comunicaciones cuánticas.

Estamos al borde de una revolución de las tecnologías de la información (TI) posibilitada por la mecánica cuántica. Lograrla exigirá una investigación en colaboración para afrontar los retos inherentes al intento de controlar las propiedades del reino cuántico. Cada avance profundiza en el conocimiento de las propiedades cuánticas y da lugar a nuevas arquitecturas e innovaciones que nos acercan a la consecución de la supremacía cuántica y a aplicaciones comercialmente viables.

Qubits

Los bits cuánticos, o qubits, son los componentes básicos de la QIT. Son las unidades fundamentales de la información cuántica. Los bits de datos clásicos existen en dos estados, escritos como 0 y 1. Aunque pueden adoptar muchas formas y realizar una amplia gama de funciones, un bit siempre debe estar en estado 0 o en estado 1.

Si nos imaginamos una esfera, la superficie representa todos los estados posibles de un qubit. Los bits clásicos son como puntos situados únicamente en los polos de la esfera, fijos en el estado 0 o 1. Los qubits pueden ocupar cualquier punto de la superficie de la esfera, lo que representa un número infinito de estados posibles. Los qubits pueden ocupar cualquier punto de la superficie de la esfera, lo que representa un número infinito de estados posibles. Esta libertad permite a los qubits codificar y procesar exponencialmente más información que los bits clásicos.

Los qubits lo consiguen mediante la superposición y el entrelazamiento. La superposición les confiere una flexibilidad y una potencia extraordinarias. El entrelazamiento permite a los qubits correlacionarse de tal manera que el estado de un qubit influye instantáneamente en otro, independientemente de la distancia que los separe. Estas propiedades únicas rompen las limitaciones de los bits clásicos y permiten a los qubits existir en un espacio de estados rico y complejo. Pueden codificar y procesar información cuántica de formas que prometen avances significativos en computación, comunicación y criptografía.

Superposición

Volviendo a la analogía de la esfera, la superposición permite a los qubits transportar información entre los estados 0 y 1 al mismo tiempo. En la física clásica, los objetos tienen propiedades definitivas en un momento dado. En la física cuántica, sin embargo, partículas como electrones, fotones y átomos pueden existir en una combinación de estados simultáneamente, lo que se conoce como superposición.

El gato de Schrödinger es un conocido experimento mental que describe cómo la superposición cuántica de núcleos radiactivos sin desintegración y con desintegración puede influir en la superposición a nivel macroscópico. En este truculento escenario, un científico coloca un gato en una caja con un mecanismo radiactivo que controla un frasco de veneno. Se desconoce el momento de la liberación del veneno; así, el gato ocupa un estado tanto de vida como de muerte hasta que abrimos la caja y observamos su destino.

La mecánica cuántica no puede predecir el destino del gato de Schrodinger. En cambio, nos proporciona la probabilidad de en qué estado encontraremos al gato cuando abramos la caja a través de un gran conjunto de experimentos idénticos.

La superposición es lo que permite a los bits cuánticos (qubits) realizar funciones muy complejas al representar varios estados simultáneamente. Volviendo a la analogía de la esfera, los estados de superposición tienen amplitudes y permiten a los qubits transportar información entre los estados 0 y 1 al mismo tiempo. A medida que aumenta el número de qubits, el número de amplitudes de probabilidad disponibles aumenta exponencialmente. Es esta propiedad la que confiere a la tecnología cuántica la probabilidad de acelerar drásticamente la velocidad de las tareas computacionales con respecto a sus homólogas clásicas.

Entrelazamiento cuántico

El entrelazamiento es la clave para aprovechar el procesamiento cuántico de la información. El entrelazamiento cuántico se produce cuando los estados de dos o más partículas se correlacionan de tal forma que el estado de una partícula influye instantáneamente en el estado de otra, independientemente de la distancia que las separe.

Esta correlación persiste cuando las partículas enredadas se separan, incluso a grandes distancias. Sin entrelazamiento, cada qubit existe independientemente en la esfera, en su propio mundo con sus propios estados posibles. Sin embargo, cuando los qubits se entrelazan, sus posiciones quedan intrincadamente vinculadas, lo que les permite Explorer una gama de estados más amplia de la que podrían Explorer por separado.

Los movimientos de coordenadas de los qubits entrelazados en la superficie de la esfera maximizan la flexibilidad que permite la superposición. Si se realiza una medición en un qubit entrelazado y se colapsa a un estado específico, el estado del otro qubit también se determina instantáneamente, independientemente del lugar de la esfera en el que se encuentre. El entrelazamiento permite a los qubits aprovechar su naturaleza cuántica colectiva para liberar el potencial de la computación altamente eficiente, la comunicación segura y los nuevos protocolos criptográficos.

Este gráfico representa a los dos observadores, Alice y Bob, compartiendo un estado entrelazado.

Decoherencia cuántica

Aunque las propiedades explicadas anteriormente permiten que los qubits tengan mucha más capacidad de cálculo que los bits clásicos, un gran reto para los ordenadores cuánticos es un fenómeno llamado decoherencia cuántica.

La decoherencia cuántica se produce cuando un sistema interactúa con elementos del entorno, como el aire, la radiación térmica o un aparato de medición no demoledor. Para entender la decoherencia, primero hay que comprender la coherencia cuántica. En su forma más simple, la coherencia se refiere a la medida de la relación entre diferentes estados posibles dentro del sistema cuántico. Esta información es necesaria para que funcione el ordenador cuántico. El aislamiento mantiene la coherencia.

La decoherencia cuántica se produce cuando el sistema interactúa con su entorno interno y externo. Cuando esto ocurre, la información del sistema y la del entorno se mezclan, lo que dificulta distinguir las señales del sistema cuántico del ruido ambiental. Los estados de los qubits son inestables, y distintos factores ambientales pueden afectar al estado de un qubit de forma desconocida, similar al ruido en las mediciones científicas. Un fotón perdido o una fluctuación de temperatura pueden provocar un desplazamiento de energía en el qubit. Como resultado, el estado se acerca al colapso.

Interferencia cuántica

Además de la influencia de los factores ambientales, los qubits de un sistema entrelazado pueden afectar al estado de otros qubits. La interferencia cuántica se produce cuando las amplitudes de probabilidad de los distintos estados que puede adoptar un qubit interfieren entre sí, provocando efectos de interferencia constructiva o destructiva. Cada trayectoria corresponde a una secuencia diferente de operaciones aplicadas al qubit.

La interferencia constructiva se produce cuando las amplitudes de probabilidad de las trayectorias se alinean y refuerzan mutuamente, aumentando la probabilidad de encontrar un qubit en determinados estados. La interferencia destructiva se produce cuando las amplitudes de probabilidad de las trayectorias se anulan entre sí, reduciendo la probabilidad de encontrar el qubit en determinados estados.

La interferencia cuántica desempeña un papel crucial en el procesamiento cuántico de la información. Mediante la manipulación de los estados cuánticos de los qubits y el control de los efectos de interferencia, los algoritmos cuánticos pueden explotar la interferencia para mejorar la eficiencia computacional y resolver problemas considerados intratables para los sistemas clásicos.

Corrección cuántica de errores

Para combatir la decoherencia cuántica y el ruido en el sistema, los ordenadores cuánticos utilizan el entrelazamiento y la interferencia para ayudar a corregir errores. La corrección de errores clásica es más sencilla. Un bit sólo puede ser 0 o 1, y un error sólo puede ser un cambio de bit. Para evitarlo, los ordenadores clásicos codifican sus bits de forma redundante. En lugar de utilizar 1 bit para representar 0 ó 1, utilizan varios, como 000 ó 111. Un error puede parecer 010, lo que significa que es 0 y que el bit del medio tiene un error. Esto también funciona porque los cambios de bit en los bits clásicos son raros.

Los qubits son diferentes. Aunque su estado puede desviarse de lo esperado, somos incapaces de observar el cambio debido al colapso de la medición que se produciría con las observaciones. La forma en que trabajamos con esto es similar a la de los bits clásicos: codificamos los qubits de forma redundante, pero los ponemos en un estado entrelazado con otros qubits auxiliares. En el estado enredado, el estado de cada qubit se conecta a los estados de los demás qubits. De este modo, podemos extraer información de un qubit auxiliar e inferir el cambio de estado en el qubit computacional y así corregirlo.