La computación cuántica es una tecnología relativamente nueva que aún se está desarrollando. No es ningún secreto que este tipo de computación aprovecha la mecánica cuántica para realizar cálculos mucho más rápido que las computadoras tradicionales. Sin embargo, una pregunta controvertida es si la computación cuántica usa binario o no.
La computación cuántica utiliza binario como modelo de puerta con estados de base binarios. Utilizan un circuito cuántico, y las puertas no modifican los bits binarios habituales 1 o 0, sino qubits. En particular, el resultado de cada cálculo cuántico es un 0 o un 1.
Este artículo describirá cómo funcionan las computadoras cuánticas y explicará por qué la salida sigue siendo un número binario. Siga leyendo para obtener más información sobre estos y cómo codificar en computación cuántica.
Cómo las computadoras cuánticas usan sistemas binarios
Cómo las computadoras cuánticas usan binario
La computación cuántica es un tipo de computación donde la información se procesa utilizando bits cuánticos en lugar de bits clásicos. Este avance ayuda a acelerar los tiempos de cálculo y se puede utilizar para diversas tareas, como el cifrado criptográfico y las estructuras moleculares. Entonces, ¿cómo usan las computadoras cuánticas el binario?
Primero debemos examinar el concepto de espacios de Hilbert o dimensiones del espacio de Hilbert en la computación cuántica para responder a esta pregunta.
En su forma más simple, un espacio de Hilbert es una estructura matemática que consta de una colección de vectores con un producto interno específico. Esencialmente, es un plano bidimensional donde cada vector tiene una longitud y una dirección.
En el contexto de la computación cuántica, este espacio bidimensional se utiliza para representar los posibles estados de un bit cuántico.
Vectores en el espacio de Hilbert
TY – JOUR AU – Rådmark, esfera de Magnus Bloch que representa el espacio de Hilbert de un qubit.
Ahora, aquí es donde se pone interesante. Cada uno de estos vectores en el espacio de Hilbert se puede representar mediante un número binario. En otras palabras, cada vector se puede representar mediante una combinación de 0 y 1.
Entonces, cuando una computadora cuántica realiza un cálculo, no usa números binarios como entradas. En su lugar, los datos se convierten en un vector procesado en el espacio de Hilbert.
Sin embargo, la salida de cada cálculo cuántico sigue siendo un número binario. Este hecho se debe a que un vector en el espacio de Hilbert puede representar el resultado de un cálculo cuántico, y este vector siempre tendrá una longitud y una dirección. En otras palabras, siempre será una combinación de 0 y 1.
Para obtener más información sobre conceptos de computación cuántica, como qubits, recomendamos leer Computación cuántica para todos de Chris Bernhardt (disponible en internet.com). El libro es una excelente introducción al tema y proporciona una excelente introducción para aquellos que desean aprender más sobre la computación cuántica.
Cómo funcionan las computadoras cuánticas
Computación cuántica decodificada
Las computadoras cuánticas usan qubits, que son unidades de información cuántica. Un qubit puede representar un 0, un 1 o cualquier otro número entre 0 y 1. A diferencia de los bits clásicos, los qubits pueden estar en varios estados simultáneamente, lo que permite realizar muchos cálculos simultáneamente.
Un qubit contiene solo un bit de información, como en un transistor o circuito conmutable. De la mecánica cuántica entendemos procesar información cuántica; una computadora cuántica usa entrelazamiento cuántico y superposición.
La superposición solo entra en juego después de que un qubit se combina con otros qubits de cierta manera. Este proceso es donde dos o más qubits se vinculan para compartir el mismo estado. Al vincular qubits de esta manera, la computadora cuántica puede realizar muchos cálculos simultáneamente, lo que se conoce como entrelazamiento cuántico.
Los bits clásicos tienen un solo valor binario, como 0 o 1; el estado de un qubit puede estar en una superposición de dos estados cuánticos, 0 y 1. Si medimos un qubit, produce un resultado binario, 0 o 1, y saca el qubit de la superposición.
Por qué las computadoras cuánticas usan Qubits como entradas
Un número binario puede representar cada vector en un espacio de Hilbert. Sin embargo, esta representación no es muy útil para la computación cuántica. Debido a que los qubits en una computadora cuántica se encuentran simultáneamente en múltiples estados, cada uno de estos estados debe estar representado por un vector diferente. Si los qubits usaran números binarios como entradas, habría demasiados vectores para representar todos los estados posibles.
Además, usar números binarios como entradas no sería ineficiente porque una computadora cuántica solo puede procesar una entrada a la vez. Al usar qubits en lugar de números binarios como entradas, la computadora cuántica opera en un conjunto más extenso de entradas simultáneamente.
Computación cuántica versus computación binaria: las diferencias
Escala de qubits de semiconductores en dos dimensiones: un panel de discusión.
No es ningún secreto que la computación cuántica y la computación binaria usan arquitecturas diferentes. Como he resaltado, las computadoras binarias usan una serie de 0 y 1 para representar información, mientras que las computadoras cuánticas usan una serie de qubits, que representan un 0, un 1 o ambos simultáneamente. Sin embargo, hay varias otras diferencias entre estas computadoras.
Aquí hay un resumen de 5 futuras diferencias notables entre la computación binaria y la computación cuántica:
Las computadoras cuánticas procesarán más datos
Las computadoras binarias son buenas para procesar una sola entrada a la vez, mientras que las computadoras cuánticas pueden procesar múltiples entradas simultáneamente.
Como mencionamos, las computadoras cuánticas usan qubits en lugar de números binarios como entradas. Dado que los qubits contienen más información que los números binarios, las computadoras cuánticas pueden procesar más información simultáneamente. Esta capacidad los hace más rápidos y eficientes que las computadoras binarias.
Muchas computadoras cuánticas creadas hoy utilizan qubits colocados en chips bidimensionales para procesar información y están trabajando para obtener procesadores completamente cuánticos. Las computadoras clásicas usan un microprocesador y un disco duro para almacenar y acceder a la información.
Las computadoras cuánticas requerirán el uso probable de 100 millones de qubits para operar de manera eficiente y sin errores. El desarrollo de los puntos cuánticos de silicio está progresando y se muestra prometedor para que la industria clásica de semiconductores de computadoras produzca los chips necesarios para las computadoras cuánticas.
Las computadoras cuánticas almacenarán más datos
El futuro de los procesadores cuánticos
Las computadoras clásicas y cuánticas almacenan datos como código binario. Las computadoras binarias pueden almacenar una cantidad limitada de información, mientras que las computadoras cuánticas pueden almacenar información ilimitada a medida que avanza la tecnología. Esta realidad se debe a que las computadoras binarias usan un número limitado de bits para almacenar datos.
Por otro lado, las computadoras cuánticas usan qubits, que pueden representar una cantidad infinita de valores. Esta capacidad puede hacer que las computadoras cuánticas sean más eficientes en el almacenamiento de datos que las computadoras binarias.
Las computadoras cuánticas serán más seguras
Las computadoras binarias son vulnerables a la piratería, mientras que las computadoras cuánticas probablemente serán más difíciles de piratear a gran escala. Las computadoras actuales e Internet se han vuelto vulnerables a la piratería informática clásica.
En teoría, los Qubits utilizados por las computadoras cuánticas y sus algoritmos serán más difíciles de piratear, ya que pueden representar una cantidad infinita de valores y, por lo tanto, son más difíciles de descifrar. Los qubits también son naturalmente inestables y colapsan fácilmente en un estado de 0 o 1. Son difíciles de mantener y trabajar debido a estos desafíos.
Sin embargo, una vez realizada, la computación cuántica cambiará fundamentalmente la seguridad cibernética. El temor actual para el futuro es la capacidad de las amenazas informáticas de Quantum para los sistemas criptográficos de clave pública.
Las computadoras cuánticas serán más rápidas
La velocidad es otra distinción crucial entre la computación binaria y la cuántica. Sin embargo, las computadoras cuánticas no han alcanzado las velocidades de las que serán capaces algún día. Las computadoras cuánticas tienen un potencial fantástico para superar con creces a cualquier computadora clásica con la promesa de trabajar en problemas importantes que tomarían años, décadas o siglos para que una computadora clásica los procese.
En general, las computadoras cuánticas realizan cálculos a velocidades muy superiores a las de las computadoras tradicionales. Esta ventaja de velocidad se debe a que las computadoras cuánticas pueden explotar las propiedades de la mecánica cuántica para ejecutar varias operaciones simultáneamente.
Por otro lado, las computadoras tradicionales se limitan a realizar una operación a la vez. Mientras que las computadoras cuánticas pueden resolver problemas en una fracción del tiempo que le tomaría a una computadora convencional.
Las computadoras cuánticas resolverán problemas más complejos
Las computadoras cuánticas no se limitan solo a resolver problemas matemáticos. También han simulado sistemas físicos complejos, como moléculas y materiales. Esta capacidad podría conducir a avances en áreas como la medicina y la ingeniería.
A medida que se desarrolle la computación cuántica, su ventaja de velocidad probablemente aumentará, lo que la equipará mejor para resolver problemas más complejos. Hay problemas difíciles conocidos como «PH», que significa «jerarquía de polinomios», que solo las computadoras cuánticas eventualmente podrán superar.
¿La computación cuántica tiene futuro?
Técnicos del laboratorio Quantum de Google trabajando en su computadora Quantum.
La computación cuántica tiene un futuro prometedor. Mientras que las leyes de la física clásica limitan las computadoras clásicas, las computadoras cuánticas explotan la física cuántica para realizar cálculos que de otro modo serían imposibles. Este potencial les permitirá resolver problemas más rápido que las computadoras clásicas.
Aquí hay un resumen de 4 áreas que la computación cuántica podría revolucionar potencialmente:
Análisis de los datos
Hoy en día, las empresas recopilan más datos que nunca. Sin embargo, las computadoras tradicionales no son eficientes para analizar grandes conjuntos de datos.
Las computadoras cuánticas podrían cambiar el análisis de datos al ayudar a las empresas a analizar y dar sentido a todos esos datos de manera eficiente. Esta capacidad conduciría a mejores conocimientos y una toma de decisiones más rápida.
Aprendizaje automático
AI Machine Learning y Quantum Computers utilizando Qubits. 5 qubits con superposición de 32 estados.
El aprendizaje automático es un campo de la inteligencia artificial que enseña a las computadoras a aprender de los datos. Actualmente, los algoritmos de aprendizaje automático se ejecutan en computadoras tradicionales.
Sin embargo, las computadoras cuánticas tienen el potencial de acelerar el aprendizaje automático y mejorar la precisión de su algoritmo. Esta mejora conduciría a máquinas más inteligentes que pueden aprender y adaptarse más rápido que nunca.
Además, los algoritmos de aprendizaje automático cuántico podrían permitir aplicaciones de inteligencia artificial (IA) más potentes y eficientes.
Criptografía
La criptografía es la práctica de comunicación segura en presencia de terceros. Se utiliza en varias aplicaciones, como correo electrónico, intercambio de archivos y banca en línea.
Actualmente, la mayoría de los algoritmos de criptografía se ejecutan en computadoras clásicas. Sin embargo, las computadoras cuánticas podrían romper muchos de estos algoritmos porque pueden resolver algunos problemas mucho más rápido que las computadoras tradicionales. Esta posibilidad podría provocar una pérdida de seguridad para muchas aplicaciones que dependen de la criptografía.
Aunque, la ventaja es que al explotar las debilidades de los algoritmos criptográficos actuales, las computadoras cuánticas podrían conducir al desarrollo de otras más seguras.
Simulaciones
Las computadoras tradicionales no son eficientes para simular sistemas físicos complejos, como moléculas y materiales.
Las computadoras cuánticas podrían ayudar a cambiar eso al permitir simulaciones más precisas y rápidas. Esta mejora conduciría a avances en campos como la medicina y la ingeniería.
Además, los científicos podrían usar computadoras cuánticas para simular el comportamiento de los sistemas cuánticos, que podrían usar para desarrollar nuevas tecnologías en el procesamiento y la comunicación de información cuántica.
En conclusión
Entonces, ¿la computación cuántica usa binario? La respuesta es sí y no y en múltiples áreas, pero muchas formas son muy diferentes de las computadoras clásicas.
La computación cuántica utiliza binario como modelo de puerta con estados de base binarios y almacena datos como código binario. Las computadoras cuánticas usan binario para representar la salida, pero también pueden realizar operaciones en más de un bit cuántico a la vez.
Como resultado, las computadoras cuánticas resuelven problemas más rápido que las computadoras tradicionales. Además, mientras que las leyes de la física clásica limitan las computadoras clásicas, las computadoras cuánticas explotan la física cuántica para realizar cálculos que de otro modo serían imposibles. Por eso, estas computadoras pueden resolver problemas más allá del alcance de las computadoras clásicas.
