Un computador cuántico es una máquina que utiliza las leyes de la física cuántica para procesar información de manera diferente a los computadores tradicionales. Mientras que un computador clásico usa bits (unidades de información que se pueden representar como 0 o 1), un computador cuántico usa qubits (que es la abreviación para quantum bits). Los qubits están en un estado de superposición, lo que significa que pueden ser 0, 1, o ambos al mismo tiempo (explora la siguiente sección!). Además, los qubits pueden entrelazarse, lo que les permite estar conectados de manera que el estado de uno influye en el estado de otro, incluso si están a grandes distancias.

Gracias a estas propiedades, los computadores cuánticos tienen el potencial de resolver ciertos problemas muchísimo más rápido que los computadores tradicionales, especialmente en áreas como la criptografía, simulación de materiales y química, optimización y más.

Es la unidad fundamental de almacenamiento de información de un computador cuántico. A diferencia de los bits clásicos, que están bien definidos ya sea como |0⟩ o como |1⟩, los qubits son sistemas físicos que se pueden representar como la superposición de dos estados cuánticos, y matemáticamente se puede escribir como: |ψ⟩=a|0⟩+b|1⟩donde la probabilidad de que, al medir el estado de este qubit, se obtenga el resultado|0⟩está dada por |a|2; y la probabilidad de obtener el estado |1⟩ está dada por |b|2.

Dado que la suma de las probabilidades de los posibles estados de un qubit debe ser igual a 1, el estado del qubit puede ser representado como un punto en una esfera de radio 1, llamada esfera de Bloch, donde la intersección de la esfera con el eje z representa los estados |0⟩ y |1⟩, de modo que la distancia de cada punto (que representa a |ψ⟩) al centro de la esfera está dado por |a|2 + |b|2 = 1. Al representar este estado en esta esfera se puede ver que hay una infinidad de puntos que pueden representar diferentes estados de un qubit; es decir, una infinidad de combinaciones de coeficientes ay bpara el estado |ψ⟩.

Esta es una de las razones por las que en un solo qubit se puede almacenar una gran cantidad de información!

Algunas entidades ó fenómenos físicos con los que se pueden construir/preparar qubits para computación cuántica son:

• Fotones. En Uniandes los hacemos y estudiamos en el grupo de Óptica Cuántica (ingresa y conoce más aquí).
• Junturas Josephson basadas en materiales superconductores. En el laboratorio de superconductividad de Uniandes fabricamos junturas de este tipo (aprender más sobre este tema aquí).
• Puntos cuánticos fabricados a partir de materiales semiconductores.
• Iones atrapados en trampas electromagnéticas.
• Átomos neutros en pinzas ópticas.
• Materiales topológicos. Algunos de estos materiales los estudiamos en Uniandes, de forma experimental en el laboratorio de Materiales Cuánticos (aprender más al respecto aquí aquí); y de forma teórica en los grupos de Física Matemática (aprender más al respecto aquí) y Materia Condesada teórica (aprender más al respecto aquí).
• Vacancias de nitrógeno en diamantes (NV-centers).
• Resonancia magnética nuclear (NMR, por sus siglas en inglés). Nuestro computador Quipu está basado en este efecto. El Departamento de Química en Uniandes utiliza esta técnica para estudiar moléculas y diferentes compuestos. Para conocer más detalles de este tipo de computadores, explora la siguiente sección.
• Otros.

El computador cuántico Quipu, modelo Gemini Lab de SpinQ se basa en el fenómeno de resonancia magnética nuclear (NMR, por sus siglas en inglés).

En un computador cuántico basado en NMR, el espín del núcleo de los átomos o moléculas (de una muestra específica) forma la base de cada bit cuántico o qubit (por su nombre en inglés).

Este espín puede estar en dos diferentes estados (representados por |0⟩ ó |1⟩ , ver la figura 2), ó de forma más general, puede ser representado como una superposición cuántica de ellos, |ψ⟩ = a|0⟩ + b|1⟩.

Esta forma matemática representa el estado de uno de nuestros espines nucleares o qubits. Estos estados pueden ser manipulados por medio de un campo magnético aplicado. Nuestro computador está compuesto por dos de estos qubits!

A partir de estos dos qubits se pueden preparar estados cuánticos específicos. La técnica de NMR usa pulsos de campo magnético en radiofrecuencia (RF), de ~ 27MHz, para manipular y leer los estados de los qubits en estos estados cuánticos.

 

En este computador cuántico puedes realizar experimentos que te van a permitir afianzar tus conceptos básicos de mecánica cuántica, y también explorar aplicaciones muy interesantes de la computación cuántica a partir de la manipulación de los qubits!

Estos son algunos de los experimentos que puedes realizar en Quipu.

Experimentos sobre los Principios de la Computación Cuántica

• Fenómenos y señales de Resonancia Magnética Nuclear
• Oscilación de Rabi
• Bit Cuántico (Qubit)
• Decoherencia Cuántica
• Control Cuántico
• Inicialización de Sistemas Cuánticos
• Compuertas Lógicas Cuánticas y Circuitos Cuánticos
• Tomografía de Estados Cuánticos
• Tareas de Computación Cuántica
• Entrelazamiento Cuántico y la Desigualdades de Bell

Algoritmos Cuánticos

• Introducción a los Algoritmos Cuánticos
• Algoritmo de Deutsch
• Algoritmo de Bernstein-Vazirani
• Algoritmo de Grover

Tecnologías Cuánticas Integradas

• Eco de Espín
• Desacoplamiento Dinámico
• Pulsos Modelados
• Optimización Numérica de Pulsos

Experimentos de Investigación

• Sistema Cuántico Real
• Simulador de Circuitos Cuánticos

Contáctanos si quieres conocer más sobre los experimentos, y cómo puedes realizarlos en Quipu

labfisicapregrado@uniandes.edu.co

La computación cuántica tiene el potencial de transformar nuestro futuro, especialmente en áreas como la ciencia, la criptografía y la optimización. Sin embargo, su impacto dependerá de nuestra capacidad para superar sus desafíos técnicos y asegurarnos de que su desarrollo sea ético, accesible y sostenible. Aunque no reemplazará por completo a la computación clásica, podría convertirse en una herramienta crucial para resolver problemas específicos y redefinir nuestra relación con la tecnología.

El potencial transformador de la computación cuántica

1. Ventajas tecnológicas: Los computadores cuánticos pueden resolver problemas que son prácticamente imposibles para las computadoras clásicas, como la simulación precisa de moléculas complejas para diseñar medicamentos o materiales avanzados. También prometen optimizar sistemas a gran escala, como la logística global, las finanzas y las redes de comunicación.
2. Avances en criptografía: La computación cuántica podría romper los sistemas de cifrado actuales, lo que obligaría a desarrollar nuevas tecnologías de seguridad. Aunque esto genera riesgos, también abre oportunidades para construir sistemas más seguros basados en criptografía cuántica.
3. Impulso científico: En física, química y otros campos, los computadores cuánticos pueden ayudar a resolver problemas fundamentales que impulsarán la innovación en tecnologías aún inimaginables.

Pero... actualmente enfrente desafíos y limitaciones

1. Madurez tecnológica: Aunque se han logrado avances significativos, los computadores cuánticos todavía están en una etapa experimental. Construir sistemas escalables, confiables y funcionales es un reto técnico y económico inmenso.
2. Infraestructura limitada: Los computadores cuánticos requieren condiciones extremas, como temperaturas ultra-bajas y sistemas de aislamiento sofisticados, lo que dificulta su adopción masiva.
3. Ámbito restringido: No todas las aplicaciones se benefician de la computación cuántica. De hecho, para la mayoría de los problemas cotidianos, las computadoras clásicas seguirán siendo más eficientes.

Oportunidades y riesgos

1. Transformación económica: Las industrias que adopten esta tecnología podrían ganar una ventaja competitiva significativa, lo que puede generar desigualdades si su acceso es limitado a ciertos países o empresas.
2. Riesgos de seguridad: El poder de la computación cuántica para romper códigos de seguridad actuales representa una amenaza inmediata para la privacidad y la infraestructura crítica.
3. Nuevos empleos y disciplinas: Esta tecnología podría generar una explosión de innovación, creando nuevas áreas de investigación y empleo. La llegada de Quipu a Uniandes constituye una gran herramienta de docencia, en la que nuestros estudiantes van a poder mantenerse a la vanguardia en el aprendizaje de las tecnologías cuánticas que formarán una parte importante de las carreras del futuro.

^{[1] Fuente: https://www.infobae.com/america/america-latina/2021/11/29/el-enigma-de-l...}

^{[2] https://quantumcomputing.stackexchange.com/questions/7161/how-are-measur...}

^{_{Algunos de los contenidos de esta página fueron preparados con ayuda de inteligencia artificial, y la revisión y modificación de nuestros expertos en Uniandes.}}