Computación cuántica

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Los láseres podrían hacer computadoras un millón de veces más rápido

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Luz láser

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Mil millones de operaciones por segundo no son buenas. ¿Sabes lo que es genial? Un millón de millones de operaciones por segundo.

Esa es la promesa de una nueva técnica de computación que usa pulsos de luz láser para hacer un prototipo de la unidad informática fundamental, llamada un poco, que podría cambiar entre su encendido y apagado, o estados “1” y “0”, 1 cuatrillón tiempos por segundo. Eso es aproximadamente 1 millón de veces más rápido que los bits en las computadoras modernas.

Las computadoras convencionales (todo desde la calculadora hasta el teléfono inteligente o computadora portátil que está usando para leer esto) piensan en términos de 1s y 0s. Todo lo que hacen, desde resolver problemas matemáticos hasta representar el mundo de un videojuego, equivale a una colección muy elaborada de operaciones de 1 o 0, sí o no. Y una computadora típica en 2018 puede usar bits de silicio para realizar más o menos mil millones de esas operaciones por segundo.

En este experimento, los investigadores pulsaron la luz láser infrarroja en celosías de tungsteno y selenio con forma de panal, lo que permite que el chip de silicio cambie de estados “1” a “0” al igual que un procesador de computadora normal, solo un millón de veces más rápido, según el estudio, que se publicó en Nature el 2 de mayo.

Ese es un truco de cómo se comportan los electrones en ese enrejado de nido de abeja.

En la mayoría de las moléculas, los electrones en órbita a su alrededor pueden saltar a varios estados cuánticos diferentes, o “psuedospinas”, cuando se excitan. Una buena forma de imaginar estos estados es como circuitos de carreras diferentes alrededor de la molécula misma. (Los investigadores llaman a estas pistas “valles” y la manipulación de estos giros es “valleytronics”).

Cuando no se excita, el electrón puede permanecer cerca de la molécula, girando en círculos flojos. Pero excite ese electrón, tal vez con un destello de luz, y tendrá que consumirse un poco de energía en una de las pistas externas.

La red de tungsteno-selenio tiene solo dos pistas a su alrededor para que entren los electrones excitados. Destella el enrejado con una orientación de luz infrarroja, y el electrón saltará a la primera pista. Destello con una orientación diferente de luz infrarroja, y el electrón saltará a la otra pista. Una computadora podría, en teoría, tratar esas pistas como 1s y 0s. Cuando hay un electrón en la pista 1, es un 1. Cuando está en la pista 0, eso es un 0.

Fundamentalmente, esas pistas (o valles) están más o menos juntas, y los electrones no necesitan correr sobre ellos mucho antes de perder energía. Pulse el enrejado con luz infrarroja tipo uno, y un electrón saltará a la pista 1, pero solo lo rodeará por “unos pocos femtosegundos”, según el documento, antes de regresar a su estado no excitado en los orbitales más cercanos al núcleo. Un femtosegundo es mil millones de millonésimas de segundo, ni siquiera el tiempo suficiente para que un rayo de luz cruce un solo glóbulo rojo.

Por lo tanto, los electrones no permanecen en la pista por mucho tiempo, pero una vez que están en una pista, pulsos adicionales de luz los arrastrarán hacia adelante y hacia atrás entre las dos pistas antes de que tengan la oportunidad de volver a caer en un estado no excitado. Ese empujón de ida y vuelta, 1-0-0-1-0-1-1-0-0-0-1 – una y otra vez en destellos increíblemente rápidos – es cosa de computación. Pero en este tipo de material, los investigadores demostraron que podría suceder mucho más rápido que en los chips contemporáneos.

Los investigadores también plantearon la posibilidad de que su red cristalina se pudiera usar para la computación cuántica a temperatura ambiente. Esa es una especie de santo grial para la computación cuántica, ya que la mayoría de las computadoras cuánticas existentes requieren que los investigadores primero enfríen sus bits cuánticos hasta casi cero absoluto, la temperatura más baja posible. Los investigadores demostraron que es teóricamente posible excitar los electrones en este enrejado a “superposiciones” de las pistas 1 y 0 – o estados ambiguos de ser amable-de-clase-difusa en ambas pistas al mismo tiempo – que son necesarias para cálculos de computación cuántica.

“A largo plazo, vemos una posibilidad realista de introducir dispositivos de información cuántica que realicen operaciones más rápido que una sola oscilación de una onda de luz”, dijo en un comunicado el autor principal del estudio Rupert Huber, profesor de física de la Universidad de Ratisbona en Alemania. . Sin embargo, los investigadores en realidad no realizaron ninguna operación cuántica de esta manera, por lo que la idea de una computadora cuántica a temperatura ambiente sigue siendo completamente teórica. Y, de hecho, las operaciones clásicas (de tipo regular) que los investigadores realizaron en su celosía eran simplemente sin sentido, ida y vuelta, conmutación 1-y-0. El enrejado todavía no se ha usado para calcular nada. Por lo tanto, los investigadores todavía tienen que demostrar que se puede utilizar en una computadora práctica.

Aún así, el experimento podría abrir la puerta a la computación convencional ultrarrápida, y tal vez incluso a la computación cuántica, en situaciones que eran imposibles de lograr hasta ahora.

Fuente: Haz click aquí.

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Computación cuántica

Computadora cuántica

Computadora cuántica – Computa en la zona crepuscular del espacio

Computadora cuántica

Imagine una computadora cuya memoria es exponencialmente más grande que su tamaño físico aparente; una computadora que puede manipular un conjunto exponencial de entradas simultáneamente; una computadora que computa en la zona crepuscular del espacio. Estarías pensando en una computadora cuántica. Se necesitan conceptos relativamente pocos y simples de la mecánica cuántica para hacer que las computadoras cuánticas sean una posibilidad. La sutileza ha sido aprender a manipular estos conceptos. ¿Es una computadora inevitable o será demasiado difícil de construir?

Según las extrañas leyes de la mecánica cuántica, Folger, un editor principal de Discover, señala que; un electrón, protón u otra partícula subatómica está “en más de un lugar a la vez”, porque las partículas individuales se comportan como ondas, estos lugares diferentes son estados diferentes en los que un átomo puede existir simultáneamente.

¿Cuál es el problema con la informática cuántica? Imagina que estás en un gran edificio de oficinas y tienes que recuperar un maletín que queda en un escritorio elegido al azar en una de las cientos de oficinas. De la misma manera que tendrías que caminar por el edificio, abriendo puertas de a una por vez para encontrar el maletín, una computadora ordinaria tiene que abrirse camino a través de largas cadenas de 1 y 0 hasta que llegue a la respuesta. Pero, ¿qué pasaría si en lugar de tener que buscar usted mismo, pudiera crear al instante tantas copias de sí mismo como salas en el edificio, todas las copias pudieran verse simultáneamente en todas las oficinas, y el que encuentre el maletín se convierta en su verdadero yo, el resto simplemente desaparece. – (David Freeman, descubre)

David Deutsch, un físico de la Universidad de Oxford, argumentó que es posible construir una computadora extremadamente poderosa basada en esta peculiar realidad. En 1994, Peter Shor, un matemático de AT & T y Bell Laboratories en Nueva Jersey, demostró que, al menos en teoría, una computadora cuántica completa podía factorizar incluso los números más grandes en segundos; un logro imposible incluso para la computadora convencional más rápida. Un estallido de teorías y discusiones sobre la posibilidad de construir una computadora cuántica ahora se impregna a través de los campos cuánticos de la tecnología y la investigación.

Sus raíces se remontan a 1981, cuando Richard Feynman señaló que los físicos siempre parecen encontrarse con problemas de cómputo cuando intentan simular un sistema en el que se llevaría a cabo la mecánica cuántica. Los cálculos que involucran el comportamiento de átomos, electrones o fotones requieren una gran cantidad de tiempo en las computadoras de hoy en día. En 1985 en Oxford, Inglaterra, la primera descripción de cómo podría funcionar una computadora cuántica surgió con las teorías de David Deutsch. El nuevo dispositivo no solo podría superar las computadoras de hoy en velocidad, sino que también podría realizar algunas operaciones lógicas que las convencionales no podrían.

Esta investigación comenzó a estudiar la construcción de un dispositivo y con el avance y el financiamiento adicional de AT & T Bell Laboratories en Murray Hill, Nueva Jersey, se agregó un nuevo miembro del equipo. Peter Shor, descubrió que la computación cuántica puede acelerar enormemente el factoring de números enteros. Es más que un simple paso en la tecnología de microcomputación, podría ofrecer información sobre aplicaciones reales como la criptografía.

“Al final del túnel, existe la esperanza de que algún día las computadoras cuánticas se conviertan en realidad”, dice Gilles Brassard de la Universidad de Montreal. La Mecánica Cuántica proporciona una claridad inesperada en la descripción del comportamiento de los átomos, electrones y fotones en los niveles microscópicos. Aunque esta información no se aplica a los usos domésticos cotidianos, sin duda se aplica a todas las interacciones de la materia que podemos ver, los beneficios reales de este conocimiento apenas comienzan a mostrarse.

En nuestras computadoras, las placas de circuito están diseñadas para que un 1 o un 0 se representen por diferentes cantidades de electricidad, el resultado de una posibilidad no tiene efecto en el otro. Sin embargo, surge un problema cuando se introducen las teorías cuánticas, los resultados provienen de una sola pieza de hardware existente en dos realidades separadas y estas realidades se superponen entre sí afectando a ambos resultados a la vez. Sin embargo, estos problemas pueden convertirse en una de las mayores fortalezas de la nueva computadora, si es posible programar los resultados de tal manera que los efectos indeseables se cancelen mientras que los positivos se refuerzan mutuamente.

Este sistema cuántico debe ser capaz de programar la ecuación en ella, verificar su cálculo y extraer los resultados. Los investigadores han estudiado varios sistemas posibles, uno de los cuales implica el uso de electrones, átomos o iones atrapados dentro de campos magnéticos, los láseres que se cruzan se usarían para excitar las partículas confinadas a la longitud de onda correcta y una segunda vez para restaurar las partículas a su estado fundamental. Se podría usar una secuencia de pulsos para organizar las partículas en un patrón utilizable en nuestro sistema de ecuaciones.

Otra posibilidad de Seth Lloyd de MIT fue proponer el uso de polímeros orgánico-metálicos (moléculas unidimensionales hechas de átomos que se repiten). Los estados de energía de un átomo determinado vendrían determinados por su interacción con los átomos vecinos de la cadena. Los pulsos de láser podrían usarse para enviar señales por la cadena del polímero y los dos extremos crearían dos estados de energía únicos.

Una tercera propuesta fue reemplazar las moléculas orgánicas con cristales en los que la información se almacena en los cristales en frecuencias específicas que podrían procesarse con pulsos adicionales. Los núcleos atómicos, girando en cualquiera de los dos estados (en sentido horario o antihorario) podrían programarse con la punta de un microscopio atómico, ya sea “leyendo” su superficie o alterándola, lo que por supuesto sería “escribir” parte del almacenamiento de información. “Movimientos repetitivos de la punta, eventualmente podría escribir cualquier circuito lógico deseado”, dijo DiVincenzo.

Sin embargo, este poder tiene un precio, ya que estos estados tendrían que permanecer completamente aislados de todo, incluido un fotón perdido. Estas influencias externas se acumularían, causando que el sistema se desvíe de la ruta e incluso podría dar la vuelta y terminar retrocediendo causando errores frecuentes. Para evitar que esto se forme, surgieron nuevas teorías para superar esto. Una forma es mantener los cálculos relativamente cortos para reducir las posibilidades de error, otro sería restaurar copias redundantes de la información en máquinas separadas y tomar el promedio (modo) de las respuestas.

Sin duda, esto cedería cualquier ventaja a la computadora cuántica, por lo que los laboratorios Bell de AT & T han inventado un método de corrección de errores en el cual el bit cuántico de datos se codificaría en uno de nueve bits cuánticos. Si uno de los nueve se perdiera, sería posible recuperar los datos de la información que se obtuvo. Esta sería la posición protegida en la que entraría el estado cuántico antes de transmitirse. Además, dado que los estados de los átomos existen en dos estados, si uno fuera corrompido, el estado del átomo podría determinarse simplemente observando el extremo opuesto del átomo, ya que cada lado contiene la polaridad exactamente opuesta.

Las puertas que transmitirían la información se centran principalmente en los investigadores de hoy, esta compuerta lógica cuántica única y su disposición de componentes para realizar una operación particular. Una de esas puertas podría controlar el cambio de 1 a 0 y viceversa, mientras que otra podría tomar dos bits y hacer que el resultado sea 0 si ambos son iguales, 1 si es diferente.

Estas puertas serían hileras de iones retenidos en una trampa magnética o átomos individuales que pasan a través de cavidades de microondas. Esta única puerta se podría construir dentro de uno o dos años, pero una computadora lógica debe tener los millones de puertas para que sea práctica. Tycho Sleator de la Universidad de Nueva York y Harald Weinfurter de la UIA consideran las puertas de la lógica cuántica como simples pasos para crear una red de lógica cuántica.

Estas redes no serían más que hileras de puertas que interactúan entre sí. Los rayos láser que brillan sobre los iones provocan una transición de un estado cuántico a otro que puede alterar el tipo de movimiento colectivo posible en el conjunto y, por lo tanto, se pueden usar frecuencias específicas de luz para controlar las interacciones entre los iones. Un nombre dado a estas matrices se ha denominado “matrices de puntos cuánticos” en el sentido de que los electrones individuales se limitarían a las estructuras de puntos cuánticos, codificando información para realizar operaciones matemáticas desde la simple adición hasta la factorización de esos números enteros.

Las estructuras de “puntos cuánticos” se construirían sobre los avances en la fabricación de cajas de semiconductores microscópicas, cuyas paredes mantienen los electrones confinados a la pequeña región de material, otra forma de controlar la forma en que se procesa la información. Craig Lent, el investigador principal del proyecto, basa esto en una unidad que consta de cinco puntos cuánticos, uno en el centro y cuatro y en los extremos de un cuadrado, los electrones se tunelizarían entre cualquiera de los dos sitios.

Encadenar estos elementos crearía los circuitos lógicos que requeriría la nueva computadora cuántica. La distancia sería suficiente para crear “cables binarios” formados por filas de estas unidades, volteando el estado en un extremo provocando una reacción en cadena para voltear todos los estados de las unidades a lo largo del cable, al igual que los dominós de hoy transmiten inercia. La especulación sobre el impacto de dicha tecnología ha sido debatida y soñada durante años.

En los puntos de discusión, el punto de que es un daño potencial podría ser que la velocidad computacional podría frustrar cualquier intento de seguridad, especialmente el estándar de encriptación de datos ahora NSA sería inútil ya que el algoritmo sería un problema trivial para dicha máquina. En la última parte, esta realidad soñada apareció por primera vez en el programa de televisión Quantum Leap, donde esta tecnología se hace evidente cuando se menciona a Ziggy, la computadora híbrida paralela que él ha diseñado y programado, las capacidades de una computadora cuántica reflejan de la computadora híbrida del show.

Se pueden encontrar muchos más documentos sobre este tema y otros similares en http://www.termpaperadvisor.com y [http://www.safe-papers.com]
El doctor Mike Cooper ha sido instructor de nivel universitario desde 1986. Tiene un doctorado. en Sistemas de Información Computacional y una Maestría en Comunicaciones de Datos. Es un oficial retirado del ejército y un veterano de 33 meses de servicio en Vietnam. El Dr. Cooper ha vivido en Tailandia, Bélgica, Alemania y aún viaja extensamente. Cooper ha estado haciendo negocios electrónicos desde 1996 y es considerado por muchos como un experto en este campo.

Fuente del artículo: http://EzineArticles.com/expert/Michael_Cooper/14550

Fuente del artículo Computadora cuántica: http://EzineArticles.com/72824

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Para acelerar la computación, las computadoras cuánticas se conectan directamente con un tejido inimaginablemente vasto de la realidad: el extraño y contraintuitivo mundo de la mecánica cuántica.

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En lugar de almacenar información utilizando bits representados por 0 o 1 como lo hacen las computadoras digitales convencionales, las computadoras cuánticas usan bits cuánticos, o qubits, para codificar información como 0, 1 o ambos al mismo tiempo. Esta superposición de estados -junto con otros fenómenos mecánicos cuánticos de enredos y túneles- permite a las computadoras cuánticas manipular enormes combinaciones de estados a la vez.

Cómo funcionan los sistemas D-Wave

En la naturaleza, los sistemas físicos tienden a evolucionar hacia su estado de energía más bajo: los objetos se deslizan hacia abajo de las colinas, las cosas calientes se enfrían, y así sucesivamente. Este comportamiento también se aplica a los sistemas cuánticos. Para imaginar esto, piense en un viajero que busca la mejor solución encontrando el valle más bajo en el paisaje energético que representa el problema.

Los algoritmos clásicos buscan el valle más bajo colocando al viajero en algún punto del paisaje y permitiendo que el viajero se mueva según las variaciones locales. Aunque generalmente es más eficiente moverse cuesta abajo y evitar escalar colinas que son demasiado altas, tales algoritmos clásicos son propensos a llevar al viajero a valles cercanos que pueden no ser el mínimo global. Por lo general, se requieren numerosos ensayos, y muchos viajeros comienzan sus viajes desde diferentes puntos.

Por el contrario, el recocido cuántico comienza cuando el viajero ocupa simultáneamente muchas coordenadas gracias al fenómeno cuántico de la superposición. La probabilidad de estar en cualquier coordenada dada evoluciona suavemente a medida que avanza el recocido, aumentando la probabilidad alrededor de las coordenadas de los valles profundos. El túnel cuántico le permite al viajero atravesar colinas, en lugar de verse obligado a escalarlas, reduciendo la posibilidad de quedar atrapado en valles que no son el mínimo global. El enredo cuántico mejora aún más el resultado permitiendo que el viajero descubra correlaciones entre las coordenadas que conducen a valles profundos.

Programación de un sistema D-Wave

El sistema D-Wave tiene una API web con bibliotecas cliente disponibles para C / C ++, Python y MATLAB. Esto les permite a los usuarios acceder fácilmente a la computadora como un recurso en la nube a través de una red.

Para programar el sistema, un usuario asigna un problema a una búsqueda del “punto más bajo en un vasto paisaje”, que corresponde al mejor resultado posible. La unidad de procesamiento cuántico considera todas las posibilidades simultáneamente para determinar la energía más baja requerida para formar esas relaciones. Las soluciones son valores que corresponden a las configuraciones óptimas de los qubits encontrados, o los puntos más bajos en el paisaje energético. Estos valores se devuelven al programa de usuario a través de la red.

Debido a que una computadora cuántica es probabilística más que determinista, la computadora devuelve muchas respuestas muy buenas en un corto período de tiempo: miles de muestras en un segundo. Esto proporciona no solo la mejor solución encontrada sino también otras alternativas muy buenas entre las que elegir.

Los sistemas D-Wave están destinados a ser utilizados para complementar las computadoras clásicas. Hay muchos ejemplos de problemas en los que una computadora cuántica puede complementar un sistema HPC (computación de alto rendimiento). Si bien la computadora cuántica es adecuada para la optimización discreta, por ejemplo, el sistema HPC es mejor en simulaciones numéricas a gran escala.

Descargue este documento técnico para obtener más información sobre la programación de una computadora cuántica D-Wave.

Capacidades Computación cuántica
El producto estrella de D-Wave, la computadora cuántica D-Wave 2000Q de 2000 quits, es la computadora cuántica más avanzada del mundo. Se basa en un tipo novedoso de procesador superconductor que utiliza la mecánica cuántica para acelerar el cálculo de manera masiva. Es el más adecuado para abordar los problemas de optimización complejos que existen en muchos dominios, tales como:

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