Actualmente soy un estudiante de secundaria que investiga la computación cuántica. Google y un amigo me remitieron a este sitio. Actualmente estoy investigando la parte qubit de la computación cuántica. Mi pregunta es cómo se crean exactamente los qubits en el laboratorio y cómo se entrelazan. No espero que las respuestas sean increíblemente específicas, pero una visión general sería de gran ayuda.
Respuestas
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Tomemos un protón (el núcleo del hidrógeno, presente en todas partes en el agua) que tiene un espín y, como está cargado, tiene polos norte y sur. Si lo mides, el polo norte apunta hacia arriba o hacia abajo en tu instrumento. Si lo colocamos en un campo magnético, querrá alinearse con él, pero no es fácil porque gira como un pequeño giroscopio y se mueve como una peonza. La velocidad de precesión depende de la intensidad del campo, que puede detectarse, y así se obtiene la resonancia magnética nuclear, que se utiliza en todas las máquinas de resonancia magnética.
Manipulando el campo, se puede poner al protón en un estado "intermedio" entre arriba y abajo. Si lo mides, estará en uno u otro, pero antes de medirlo, está en una mezcla de estados, llamada "superposición".
Si tienes algún número de ellos, como por ejemplo cuatro, manipulando el campo, puedes ponerlos a todos en estado de mezcla. Pero no es como cuatro mezclas independientes. Más bien es una mezcla de 16 estados posibles. Si las mides todas a la vez, puedes obtener cualquiera de las 16 respuestas posibles.
Cada uno de esos estados en la superposición es una combinación de bits totalmente especificada, así que es como tener 16 ordenadores de 4 bits diferentes funcionando en paralelo, pero todos están ejecutando el mismo programa al mismo tiempo. El "programa" consiste en trenes de pulsos magnéticos que afectan a todos los estados al mismo tiempo. Eso se llama "paralelismo cuántico", y se puede ver que si se pueden poner suficientes qubits en esta superposición en la que cada una de las 2^N combinaciones tiene la misma probabilidad, se pueden llevar a cabo 2^N cálculos en paralelo.
Entonces, supongamos que uno de esos cálculos llega a un resultado que usted quiere conocer. Tienes que obtener el resultado midiendo, pero eso es complicado de explicar y puede que sea demasiado para esta respuesta.
P.D. Uno de los aspectos interesantes de la computación cuántica es que tiene que ser reversible . Así que si tienes un algoritmo que quieres ejecutar en un ordenador cuántico, tienes que asegurarte de que el algoritmo se puede ejecutar tanto hacia delante como hacia atrás. Por ejemplo, si tenemos una máquina de estados en la que el estado A o el estado B pueden pasar al estado C, no funcionará en un ordenador cuántico a menos que haya algún recuerdo de cómo se entró en C, de modo que la transición de estado pueda "deshacerse".
P.P.S. Permítanme otra puñalada sobre cómo se obtienen los resultados de un ordenador cuántico. El método que conozco es Algoritmo de búsqueda de Lov Grover para realizar búsquedas en una tabla sin ordenar. Si la tabla contiene M entradas, creas una superposición con M estados, uno de los cuales "tendrá éxito". Como la única forma de obtener información es midiendo, lo que hay que hacer es ajustar las amplitudes de probabilidad de los estados para que el que tenga éxito tenga una probabilidad alta, de modo que cuando midas, sea el que veas con más probabilidad. Eso se hace mediante una manipulación que transfiere parte de la probabilidad de los estados fallidos al exitoso. A continuación, el cálculo se ejecuta a la inversa hasta llegar al principio, luego se ejecuta de nuevo hacia delante y se vuelve a realizar la operación de transferencia de probabilidad. Esto se hace varias veces, hasta que el estado exitoso tiene casi toda la probabilidad. Es importante no hacerlo demasiadas veces, porque empezaría a tener el efecto contrario.
warpstack
Puntos
48
Hay muchas maneras de hacer un qubit, el método más favorecido para el trabajo de laboratorio es mediante el uso de una trampa de iones - un ion está contenido en una mezcla de oscilación y campos eléctricos estáticos (wikipedia 'Paul trap'). Esto proporciona dos qubits -el estado eléctrico del ion y su modo vibracional- y tiene la ventaja de estar bien separado del entorno (por lo que tarda mucho tiempo en descohesionarse); sin embargo, no es muy práctico para un ordenador cuántico, ya que combinar las trampas de iones es muy difícil. También existe el trabajo adicional de tener que dividir los pulsos, de modo que una sola operación se divide en aproximadamente 3 operaciones, para evitar que el ion se excite fuera de la base computacional (es decir, si se está utilizando el estado básico y el primer estado excitado, es posible excitarlo al segundo estado excitado utilizando un pulso grande).
Uno de los ordenadores cuánticos de mayor éxito se ha fabricado mediante RMN líquida, utilizando la misma molécula sintética suspendida en un líquido. Se ha utilizado para ejecutar el algoritmo de Shor (factorización de enteros) sobre el número 15, utilizando 7 qubits. Sin embargo, el uso de moléculas sintéticas para un ordenador cuántico tampoco es muy práctico, ya que las cadenas más largas se descohesionan más rápido y las frecuencias de los núcleos se acercan entre sí, lo que hace más difícil (y a la larga prácticamente imposible) abordarlas individualmente.
Uno de los objetivos actuales es fabricar un ordenador cuántico de estado sólido, ya sea con espín electrónico o nuclear como qubits, ya que la experiencia con la computación clásica de estado sólido es muy elevada. Pero hay algunos inconvenientes: el espín de los electrones en GaAs (un material comúnmente utilizado para los puntos cuánticos) suele decaer en unos 250 us, lo que no da mucho tiempo para los cálculos. Así que se ha sugerido el uso del fósforo, ya que su espín nuclear podría durar potencialmente del orden de horas, colocado sobre una red de silicio. Aunque por su tamaño podría encajar perfectamente en la red de silicio, es muy difícil colocarlo de forma que cada átomo de P forme un conjunto regular: se utiliza el proceso de dopaje, pero a diferencia de la fabricación de material p y n, la aleatoriedad del dopaje es un grave inconveniente, ya que se pueden obtener varios átomos de P en una célula y ninguno en otras. La Universidad de Cambridge (y otras) están llevando a cabo un interesante trabajo sobre un método diferente: el uso de ondas acústicas superficiales para confinar un electrón en movimiento (véase http://www.sp.phy.cam.ac.uk/SPWeb/research/sawqc.html ) - esto parece que podría usarse para un potencial ordenador cuántico, pero de nuevo está limitado por el tiempo de decoherencia del espín.
El mayor "ordenador" cuántico fabricado es el D-Wave One (http://www.dwavesys.com/en/products-services.html), pero no funciona del mismo modo que un ordenador cuántico: no implementa ninguna puerta, sino que utiliza una red de potenciales de doble pozo para encontrar el estado de energía más bajo del sistema (lo que ellos denominan modelo de energía programada). Utiliza anillos superconductores para implementar los qubits, en los que las agujas del reloj representan el espín hacia abajo y las agujas del reloj el espín hacia arriba.
Los qubits también se pueden fabricar utilizando pulsos láser, siendo el qubit la polarización del fotón y las puertas se implementan utilizando la óptica, pero eso es todo lo que sé de ellos.
En resumen, cosas que podrías usar como qubit
- espín de electrón
- espín nuclear
- ocupación de electrones (es decir, en un punto cuántico, donde la presencia de un electrón es la $|1\rangle$ y el punto vacío es el estado $|0\rangle$ estado)
- dirección de la corriente (es decir, alrededor del bucle superconductor)
- polarización fotónica
(A título orientativo, el algoritmo de Shor (sin corrección de errores) para factorizar un número de 512 bits requiere ~2500 qubits y 10 $^{10}$ gates, el mayor ordenador cuántico que conozco tiene 7 qubits (sin contar el D-Wave), así que esto debería darle una idea de lo lejos que estamos de los ordenadores cuánticos).
El entrelazamiento requiere que dos qubits interactúen y que su estado no sea separable. Se puede escribir que dos qubits tienen el siguiente estado, $$| \psi \rangle = \alpha | 00 \rangle + \beta | 01 \rangle + \gamma | 10 \rangle + \delta | 11 \rangle$$ donde $| \alpha |^2 + | \beta |^2 + | \gamma |^2 + | \delta |^2 = 1$ . Es separable si puede escribirse como un producto tensorial, por ejemplo $$| \psi \rangle = \frac{1}{\sqrt{2}} \left( |0\rangle + |1\rangle\right) \otimes |1\rangle $$ que es el estado $\frac{1}{\sqrt{2}} \left( |01\rangle + |11\rangle \right)$ .
$$ \frac{1}{\sqrt{2}} \left( |01\rangle + |10\rangle \right) $$ no es separable y, por tanto, está entrelazado. La generación de entrelazamiento puede lograrse utilizando una puerta de dos qubits, como la CNOT (controlada no), que sólo voltea el bit de destino si el bit de control está en la posición $|1\rangle$ estado, es decir $\text{CNOT}\left(|x\rangle|y\rangle\right) = |x\rangle|x \oplus y\rangle$ donde $x$ es el bit de control y $y$ es el bit de destino.
N.B. espero que esto no sea un nivel demasiado alto para ti, hay algunos buenos artículos de revisión en algunas revistas, pero no estoy seguro de si tendrás acceso a ellos. Un buen libro para una lectura de fondo general es 'Principles of Quantum Computation and Information: Vol 1: Conceptos básicos", de Benenti, Casatio y Strini.
