Computadoras Cuánticas Y Su Aporte A La Ciencia

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA 1

Computadoras Cuánticas y su Aporte al Desarrollo

de la Ciencia.

Alexander Bermeo, Paúl Chacón, Diego Marín, Byron Ochoa, Romeo Orellana.

abermeom@est.ups.edu.ec, pchaconj@est.ups.edu.ec, dmarin@est.ups.edu.ec, bochoad@est.ups.edu.ec,

rorellana@est.ups.edu.ec

Abstract—In this paper we make a detailed review of the

development of computing throughout the story, and then focus

on the evolution of quantum computing. Begin by describing the

physical phenomena that led to the conception of this new kind

of computing, be described the qubits, major components in this

model quantum computer, and all the necessary mathematical

analysis to define quantum logic gates that would be based on the

development and understanding of quantum computing. We will

point out also the principles needed to be taken into account in

order to get to the construction of a quantum computer and some

of the mechanisms or techniques currently have in mind for the

implementation of these type computers. Then, continuing with

our analysis, we will see how calculations or simulations, that the

most powerful computers in current processing would take a long

time, could be carried out in seconds on a quantum computer.

We will present solutions to specific problems that can only be

achieved through implementation of quantum algorithms. So, for

all these reasons in this work, we can reach our conclusions and

predict or analyze the impact of quantum computers would have

on the development of science.

Resumen—En el presente documento haremos una revisión

detallada del desarrollo de la computación a lo largo de la

historia, para luego centrarnos en la evolución de la computación

cuántica. Empezaremos por describir los fenómenos físicos que

dieron lugar a la concepción de este nuevo tipo de computación;

describiremos a los qubits, componentes principales en este

modelo cuántico de computación, y todo el análisis matemático

necesario para definir compuertas lógicas cuánticas que serían

la base en el desarrollo y entendimiento de la computación cuántica.

Señalaremos, además, los principios necesarios que deben

tenerse en cuenta para poder llegar a la construcción de una

computadora cuántica y algunos de los mecanismos o técnicas

que actualmente se tienen en mente para la implementación de

computadores de este tipo. Continuando con nuestro análisis,

veremos cómo cálculos o simulaciones, que en las más potentes

computadoras actuales llevarían mucho tiempo de procesamiento,

podrían realizarse en cuestión de segundos en una computadora

cuántica. Presentaremos soluciones a problemas específicos y

que únicamente pueden lograrse mediante implementación de

algoritmos cuánticos. Entonces, por todo lo expuesto en este

trabajo, podemos llegar a nuestras conclusiones y prever o

analizar el impacto que las computadoras cuánticas tendrían

sobre el desarrollo de la ciencia.

Index Terms—quantum computing, quantum computer, bits,

qubits, Quantum algorithms.

Palabras Clave—computación cuántica, computadora cuántica,

bits, qubits, algoritmos cuánticos.

I. INTRODUCCIÓN

A través de la historia se ha usado diversos materiales

y múltiples mecanismos para realizar el diseño, construcción

y operación de máquinas que agilicen y automaticen

la realización de cálculos y el procesamiento de información.

Las computadoras empezaron con su primer ancestro que fue

la calculadora de Pascal, la cual solo sumaba y restaba, pero

con el tiempo esta idea se fue perfeccionando, así tenemos que

Leibniz consiguió construir una máquina con más operaciones

matemáticas que la de Pascal. Los avances en esta área continuaron;

se ideó la máquina de Turing; se fueron construyendo

mejores prototipos de computadoras que implicaron el uso

de tubos al vacío, capacitores y tambores rotatorios para el

manejo de los elementos de la memoria; hasta llegar a las

computadoras actuales basadas en transistores.

El transistor es el invento que más ha influenciado en la

evolución de las computadoras, contiene un material semiconductor

que funciona como un interruptor. Lo mencionado

anteriormente dio paso a los microprocesadores, los cuales

son chips que contienen millones de transistores en su interior.

Actualmente las computadoras, celulares, PDA se caracterizan

por su reducido tamaño; en sí, la tendencia es la miniaturización

de los elementos en estos dispositivos. Por tal razón,

dada esta constante miniaturización de los componentes, se

llegará a un punto donde ya no se pueda reducir más, lo que

dará paso a que se ingrese al mundo subatómico, donde las

leyes de la física de la mecánica cuántica tienen validez. Este

cambio en los componentes fundamentales de las computadoras,

hace que sea necesario redefinir muchos elementos de la

computación actual como la arquitectura, los algoritmos, y los

componentes de hardware, de esta manera nace la computación

cuántica y con ella los algoritmos cuánticos.

En la actualidad la computación cuántica es una de las áreas

de mayor investigación; correlaciona elementos de la teoría de

la información y de la mecánica cuántica, para producir modelos

de computación que exploten las propiedades y efectos

cuánticos inherentes a las partículas atómicas. La diferencia

entre la computación cuántica y la computación clásica es la

complejidad algorítmica [1].

El qubit, dado por sus siglas: quantum bit, es el elemento

básico de la computación cuántica. Éste representa ambos

estados (0 y 1) simultáneamente, los cuales son los dos estados

ortogonales de una subpartícula atómica. Un vector de n qubits

representa a la vez 2n estados, de forma que un vector de dos

qubits representaría los estados 00, 01, 10 y 11. Cualquier

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sistema cuántico puede servir como qubit, un spin de electrón

que apunta arriba o abajo, o un spin de fotón con polarización

horizontal o vertical.

La mecánica cuántica tiene consecuencias muy notables en

determinados sistemas compuestos, por ejemplo en un sistema

de dos partículas, hay ciertos estados en los cuales luego

de separar espacialmente las partes componentes del sistema

se puede, midiendo una propiedad en una de las partículas,

predecir el valor de la misma propiedad de la otra partícula

sin necesidad de medirlo. A estos sistemas compuestos se los

denomina entrelazados, y la característica por la cual una de

las partículas no puede ser descripta en forma adecuada sin la

mención a la otra, aun cuando estén espacialmente separadas,

se la denomina no-localidad. Einstein, Podoslky y Rosen

fueron los primeros en llamar la atención sobre la posibilidad

de efectos no locales entre partículas entrelazadas [2]. Es

por esta propiedad que se puede pensar en una nueva forma

de transmitir la información, computación y comunicación

cuánticas es lo que se pretende lograr.

Con estos antecedentes, mas todo lo que se presentará

en este documento, podemos decir que las computadoras

cuánticas han creado una gran expectación, ya que algunos

problemas intratables pasan a ser tratables y/o solucionables.

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