La computación cuántica es la mayor revolución en la computación desde ... la computación. Nuestro mundo consta de información cuántica, pero percibimos el mundo como información clásica. Es decir, están sucediendo muchas cosas a pequeña escala más allá de nuestros sentidos normales. Como humanos, hemos evolucionado para procesar información clásica, no información cuántica: nuestros cerebros están programados para pensar en gatos con dientes de sable, no en los gatos de Schrödinger. Podemos codificar fácilmente nuestra información clásica con ceros y unos, pero ¿qué pasa con el acceso a la información adicional disponible que compone nuestro universo? ¿Podemos utilizar la naturaleza cuántica de la realidad para procesar información? Por supuesto, de lo contrario tendríamos que terminar este post aquí, y eso no nos satisfaría a todos.Exploremos las posibilidades de la computación cuántica y luego comencemos a escribir nuestro propio código cuántico.
El punto de partida para estudiar la computación cuántica es comprender que, si bien muchos principios son contrarios al sentido común, el universo clásico que conocemos y amamos es solo una sombra del tejido cuántico de la realidad. Parte de acostumbrarse a un cuanto es acostumbrarse a las limitaciones de nuestra propia percepción. Esta limitación es similar a dibujar un objeto 3D en una hoja de papel 2D. Eche un vistazo a la estructura de alambre a continuación. Puede ser una caja (podemos ilustrar esto con un vaso en la parte superior), un ángulo (podemos colocar la botella dentro para que podamos ver el ángulo).
Nos vemos obligados a ver uno u otro, y no ambos al mismo tiempo. Podemos intercambiarlos de un lado a otro, pero como estamos atascados en una vista 2D, solo podemos ver uno u otro. Dos dimensiones no son suficientes para representar perfectamente un objeto tridimensional. De la misma forma, el mundo de la información clásica en su codificación más simple se representa en bits, ceros y unos. Sin embargo, esto no es suficiente para describir el mundo cuántico. En el mundo cuántico, necesitamos bits cuánticos o qubits para describir nuestra información. Al igual que poner una bebida en una caja o en una esquina, podemos tomar una medida que hará que nuestro qubit nos diga el ritmo clásico, pero hay más información que podemos usar.
Las computadoras cuánticas usarán el resto de la información para lograr más potencia de procesamiento. Cambiará todo en aplicaciones en productos farmacéuticos, nuevos materiales ecológicos, logística, finanzas, big data y más. Por ejemplo, la computación cuántica calculará mejor la energía de las moléculas porque es fundamentalmente un problema cuántico. Entonces, si puedes imaginar la industria de las moléculas, puedes imaginar la aplicación de la computación cuántica. A menudo, la gente quiere saber si las computadoras cuánticas serán más rápidas y, si bien pueden realizar cálculos más rápido, esto no se debe a que estén haciendo lo mismo con muchos ciclos. En cambio, las computadoras cuánticas utilizan una forma fundamentalmente diferente de procesar información. Para tener una idea de esta diferencia fundamental, consideraremos un ejemplo,lo que ayuda a ilustrar el poder de la computación cuántica.
Conoce al borracho cuántico
Hagamos un experimento mental. En un clásico paseo de borrachos (a veces llamado paseo casual), tenemos a un borracho que sale del armario e intenta encontrar a su amigo en el bar.
Todo el mundo se ve igual en el bar, nuestro borracho ha bebido demasiado, así que se acerca a una persona al azar sentada en el bar. Cuando descubre que la primera persona a la que molestó no es su amigo, se mueve al azar al siguiente taburete, ya sea a la izquierda o a la derecha. Podemos simular a nuestro caminante borracho lanzando una moneda y diciendo que si sale cara, irá a la derecha, si sale cruz, a la izquierda.
La próxima persona tampoco será el amigo deseado, pero la memoria de nuestro borracho es corta, por lo que se moverá hacia la izquierda o hacia la derecha con igual probabilidad. Esto continuará hasta que se llame a seguridad para expulsarlo.
El servicio de seguridad ama la física, por lo que decidieron cada vez averiguar dónde finalmente ponerse al día con una persona borracha. Esto es lo que ve el servicio de seguridad:
La forma tiene forma de campana, y una característica interesante de la curva en forma de campana es que la extensión en el medio (el lugar más probable para encontrar a un borracho) es la raíz cuadrada del número de pasos que da un caminante borracho. Cuando el borracho pasa por nueve taburetes, la extensión de la curva es tres; Es probable que la seguridad lo encuentre a tres taburetes de la barra de donde se sentó originalmente el borracho. Cuando el borracho hace 100 intentos, lo más probable es que la seguridad encuentre al borracho a 10 taburetes de donde comenzó el borracho. Estas estadísticas ayudan a las fuerzas de seguridad a saber dónde es más probable que encuentren al caminante borracho, que se encuentra cerca del punto de partida.
La seguridad ahora tiene un modelo que pueden usar para mantenerse al día con los borrachos clásicos, pero desafortunadamente también hay borrachos cuánticos en este bar. Mientras que el borracho clásico es un simple lanzamiento de una moneda para cada dirección, para el borracho cuántico la moneda es cuántica y puede estar en una superposición de caras y cruces al mismo tiempo. El borracho cuántico sigue una trayectoria que es una superposición de los escalones izquierdo y derecho de cada taburete de la barra.
La superposición es uno de los conceptos fundamentales de la mecánica cuántica y una de las herramientas para distinguir entre información cuántica e información clásica. Para más diversión con superposiciones, lea esta publicación de Strangeworks sobre algunos conceptos básicos de qubit....
El borracho cuántico caminará en una superposición de izquierda y derecha al mismo tiempo sin una ubicación específica hasta que la seguridad lo encuentre.
Cuando la seguridad mira la distribución de posiciones donde está el borracho cuántico, encuentran un resultado completamente diferente al del borracho clásico.
En contraste con la distribución de la curva de campana suave, encontrarán la distribución canina que se muestra a continuación:
¿Qué está pasando? ¿Dónde está el borracho cuántico? ¿Por qué deberían estar los picos de distribución en el exterior? ¿Por qué hay áreas en el interior con una probabilidad muy baja y otras con una probabilidad más alta? El borracho cuántico tiene nuevas propiedades.
El borracho tiende a estar más lejos del centro y es menos probable que esté más cerca del centro. Algunas rutas son menos probables debido a la interferencia y otras son más probables. La propagación general también es muy diferente. En lugar de referirse a la raíz cuadrada de la extensión, la extensión se relaciona linealmente con el número o los pasos. Es probable que un borracho cuántico que da diez pasos se encuentre en el exterior de diez taburetes de bar, tan lejos como un borracho clásico que da 100 pasos.
Entonces, ¿cómo podemos usar esto para nuestro beneficio? ¿Hay algún problema que podamos resolver mejor con los borrachos cuánticos que con los borrachos clásicos? Bueno, me alegro de que lo hayas preguntado, ¡porque sí lo hay! Para comprobarlo, vamos a poner a los borrachos en el paso del laberinto. Elegimos un laberinto específico que demostrará el poder de los borrachos cuánticos. En esta tarea, tenemos una estructura de árbol que se refleja y luego se pega.
A la izquierda está la entrada al laberinto, ya la derecha está la salida. Queremos ver qué tan bien nuestros caminantes borrachos encuentran la salida. Recuerde que el borracho clásico lanzará una moneda en cada nodo, mientras que el borracho cuántico creará una superposición de cada camino en cada nodo. Los borrachos tienden a quedarse atascados en lugares aleatorios en el medio y tardan más en encontrar la salida.
Dado que los borrachos cuánticos son más comunes, es más fácil para ellos evitar quedarse atascados. Ésta es la razón por la que los borrachos cuánticos encuentran la salida más rápido que los borrachos clásicos.
A medida que enviamos más y más borrachos, ¡los cuánticos manejarán este problema exponencialmente mejor que los clásicos!
Este es el poder de la computación cuántica. Aunque este es un ejemplo simple, todos los algoritmos cuánticos funcionan de la misma manera: utilizando la dispersión cuántica de formas inteligentes que se ajustan a la estructura del problema. Existen muchas aplicaciones para los algoritmos cuánticos, por lo que ahora es el momento de comenzar a aprender la programación cuántica.
En un futuro próximo, las mejores aplicaciones serán el desarrollo de productos farmacéuticos y el desarrollo de nuevos materiales. Muchas de estas aplicaciones en química son fundamentalmente mecánicas cuánticas. Esto se debe a que calcular la energía de los electrones para diferentes moléculas es más eficiente usando una computadora cuántica. Los problemas de optimización son otra área en la que la computación cuántica tendrá un impacto en un futuro no muy lejano. Esta clase de preocupaciones logísticas incluye la optimización del almacenamiento (hola FedEx, llámenos) o la distribución de productos como vacunas. La gestión del riesgo financiero se puede realizar utilizando algoritmos similares. Además, existen tecnologías para crear una Internet cuántica que reemplazará algunos de nuestros sistemas criptográficos para garantizar la privacidad y la seguridad.
Comience a programar computadoras cuánticas
¡Puede comenzar con la computación cuántica ahora mismo (sin emborracharse con la embriaguez cuántica o desafiar a un alcohólico clásico a una carrera de laberintos)! En Strangeworks, estamos reduciendo las barreras a la programación de la computación cuántica para que pueda ser parte de esta emocionante comunidad de código abierto. Puede explorar nuestra biblioteca de contenido en constante crecimiento o crear la suya propia como miembro de la comunidad de Strangeworks. Puede ejecutar el código aquí mismo, sin instalación, y ver el resultado. Explore muchos lenguajes y plataformas de programación cuántica diferentes.
Aquí hay algunos puntos de partida excelentes:
Juegue con el código para una caminata aleatoria cuántica simplificada
Esta publicación detalla cómo codificar un peatón aleatorio cuántico de cuatro nodos. Comenzar con una tarea simplificada lo ayudará a comenzar a escribir código cuántico de inmediato sin la gran sobrecarga de la complejidad del problema. La información que obtendrá de esta publicación será suficiente para dar sentido a lo que está sucediendo, mientras que el código real y la descripción del circuito cuántico lo familiarizarán con los detalles más mínimos de la creación de programas para computadoras cuánticas.
Introducción a la plataforma Strangeworks
Si solo desea sumergirse en el mundo de la computación cuántica, no hay nada mejor que hacer un recorrido por la plataforma de Strangeworks Quantumcomputing.com. Esta guía es el punto de partida ideal para este nuevo paradigma informático.
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