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La computación cuántica procesa datos utilizando los principios de la mecánica cuántica. Como resultado, la computación cuántica requiere un enfoque diferente al de la computación clásica. El procesador utilizado en las computadoras cuánticas es un ejemplo de esta distinción.
Mientras que las computadoras tradicionales emplean procesadores basados en silicio, las computadoras cuánticas utilizan sistemas cuánticos como átomos, iones, fotones o electrones. Emplean características cuánticas para representar bits que pueden crearse en varias superposiciones cuánticas de 1 y 0.
Entonces, ¿qué significa exactamente el término "cuántico" en este contexto? ¿Es un salto significativo?
El término quantum deriva de la palabra latina quantum, que significa "cantidad". Es una 'cantidad discreta de energía proporcional en magnitud a la frecuencia de la radiación que representa' en física. Discreto se refiere a algo que no es ni continuo ni distinto. Quantum se refiere a cantidades únicas o significativas en este sentido.
¿Qué es la computación cuántica?
Computación cuántica utiliza métodos algebraicos para construir algoritmos de cálculo, que a menudo son iguales o similares a los que se utilizan en la física cuántica. La mecánica cuántica, a su vez, se refiere a una teoría física básica que se sumerge en la explicación de las cualidades físicas de la naturaleza en el tamaño de los átomos y las partículas subatómicas.
A computadora cuántica es así una computadora hipotética capaz de implementar tales algoritmos. Como resultado, las computadoras cuánticas se basan fundamentalmente en bits cuánticos, también conocidos como qubits, que pueden crearse a partir de un solo electrón.
El material cuántico se comporta de acuerdo con las reglas de la mecánica cuántica, haciendo uso de nociones como cálculo probabilístico, superposición y enredo. Estas ideas sirven como base para los algoritmos cuánticos, que utilizan las capacidades de las computadoras cuánticas para abordar problemas complicados.
En este artículo, discutiré todo lo que necesita saber sobre el entrelazamiento cuántico.
¿Qué es el entrelazamiento cuántico?
El entrelazamiento cuántico ocurre cuando dos sistemas están tan estrechamente vinculados que conocer uno te da un conocimiento inmediato del otro, sin importar qué tan lejos estén.
Científicos como Einstein estaban desconcertados por este fenómeno, al que denominó “una acción espeluznante a distancia”, ya que rompía la regla de que no se puede enviar información más rápido que la velocidad de la luz. Sin embargo, experimentos adicionales con fotones y electrones verificaron el entrelazamiento.
El entrelazamiento es la piedra angular de la computación cuántica. El entrelazamiento cuántico en física se refiere a un vínculo muy fuerte entre partículas cuánticas. Esta conexión es tan fuerte que dos o más partículas cuánticas pueden conectarse inexorablemente estando separadas por enormes distancias.
Para comprender mejor esto, considere una comparación simple que no esté relacionada con la física o la computación. Considere lo que sucedería si no se lanzara una, sino dos monedas. Por lo general, si una moneda cae en cara o cruz tiene poca relación con el resultado del segundo lanzamiento de la moneda.
Sin embargo, en el caso de enredo, ambas partes están conectadas o enredadas, independientemente de que estén separadas físicamente. En este caso, si una moneda cae en cara, la segunda moneda también mostrará cara, y viceversa.
Entendiendo el entrelazamiento cuántico (con ejemplo)
El entrelazamiento cuántico es de hecho una situación en la que dos sistemas (típicamente electrones o fotones) están tan estrechamente vinculados que la adquisición de información sobre el "estado" de un sistema (la dirección del giro del electrón, digamos "Arriba") produciría un conocimiento instantáneo sobre el otro sistema. “estado” (la dirección del espín del segundo electrón, digamos “abajo”) independientemente de la distancia entre estos sistemas.
Las frases "instantáneo" e "independientemente de lo lejos que estén" son significativas. Este fenómeno ha dejado perplejos a científicos como Einstein, ya que el estado no se define hasta que se mide, y la transmisión de información desafía la regla de la física clásica de que la información no se puede transportar más rápido que la velocidad de la luz.
Sin embargo, se ha demostrado que el entrelazamiento usa fotones y electrones desde la década de 1980, gracias a la investigación y las pruebas que comenzaron en la década de 1980.
Se pueden producir dos partículas subatómicas (electrones) para que puedan ser descritas por una sola función de onda. El entrelazamiento se puede lograr con un método al permitir que una partícula madre con espines cero se desintegre en dos partículas hijas entrelazadas con espines iguales pero opuestos.
Si dos partículas hijas no interactúan con nada, sus funciones de onda permanecerán iguales y opuestas, sin importar cuán separadas se midan. Los científicos determinaron mediante pruebas que el momento del enredo no tuvo impacto en la información.
En cambio, la información se envía a la otra partícula a un ritmo más rápido que la velocidad de la luz solo cuando se mide la información de una partícula.
Como resultado, la información fluye a este ritmo. Pero no tenemos control sobre él: esta falta de control restringe los usos de Quantum Entanglement, como enviar un mensaje u otra información más rápido que la velocidad de la luz.
¿Qué papel juega el entrelazamiento en la computación cuántica?
Cambiar el estado de un qubit entrelazado cambia instantáneamente el estado del qubit emparejado en las computadoras cuánticas. Como resultado, el entrelazamiento acelera la velocidad de procesamiento de las computadoras cuánticas.
Debido a que el procesamiento de un qubit revela información sobre numerosos qubits, duplicar la cantidad de qubits no necesariamente aumenta la cantidad de procesos (es decir, los qubits entrelazados).
El entrelazamiento cuántico, según los estudios, es necesario para que un algoritmo cuántico entregue una aceleración exponencial sobre los cálculos clásicos.
Aplicaciones de entrelazamiento en computación cuántica
Varias aplicaciones pueden beneficiarse de esta característica física única, que cambiará nuestro presente y futuro. El entrelazamiento podría habilitar el cifrado cuántico, la codificación superdensa, quizás la transmisión más rápida que la luz e incluso la teletransportación.
Las computadoras cuánticas tienen el potencial de enfrentar desafíos que requieren mucho tiempo y energía de procesamiento en una variedad de industrias, incluidas las finanzas y la banca.
El entrelazamiento cuántico es un fenómeno que podría ayudar a tales computadoras al reducir la cantidad de tiempo y la potencia de procesamiento requerida para manejar el flujo de datos entre sus qubits.
1. Criptografía cuántica
En la criptografía clásica, el remitente codifica el mensaje con una clave, mientras que el destinatario lo decodifica con la clave compartida. Sin embargo, existe el peligro de que un tercero obtenga conocimiento sobre las claves y pueda interceptar y socavar la criptografía.
Crear un canal seguro entre las dos partes es la piedra angular de una criptografía indescifrable. El enredo puede causar esto. Como los dos sistemas están entrelazados, están correlacionados entre sí (cuando uno cambia, también lo hace el otro), y ningún tercero compartirá esta correlación.
La criptografía cuántica también se beneficia de la no clonación, lo que significa que es imposible generar una réplica idéntica de un estado cuántico desconocido. Como resultado, es imposible replicar datos codificados en un estado cuántico.
Con una distribución de clave cuántica impenetrable, la criptografía cuántica ya se ha realizado (QKD). QKD utiliza fotones polarizados aleatoriamente para comunicar información sobre la clave. El destinatario descifra la clave utilizando filtros polarizadores y la técnica utilizada para cifrar el mensaje.
Los datos secretos aún se transfieren a través de líneas de comunicación estándar, pero solo la clave cuántica exacta puede decodificar el mensaje. Debido a que "leer" los fotones polarizados cambia sus estados, cualquier escucha alerta a los comunicadores sobre la intrusión.
La tecnología QKD actualmente está limitada por el cable de fibra óptica, que puede entregar un fotón durante unos 100 km antes de volverse demasiado débil para recibirlo. En 2004, se produjo la primera transferencia bancaria QKD entrelazada en Austria.
Asegurarse de que la transmisión de comunicaciones irrompibles y a prueba de manipulaciones que sean comprobablemente seguras en base a principios físicos tiene aplicaciones obvias en los sectores financiero, bancario, militar, médico y otros. Varias empresas ahora están usando QKD enredado.
2. Teletransportación cuántica
La teletransportación cuántica es también el método de transmisión de información cuántica entre dos partes, como fotones, átomos, electrones y circuitos superconductores. Según la investigación, la teletransportación permite que los QC se ejecuten en paralelo mientras usan menos electricidad, lo que reduce el uso de energía entre 100 y 1000 veces.
La distinción entre teletransportación cuántica y criptografía cuántica es la siguiente:
- Intercambios de teletransporte cuántico Por un canal clásico se envía información “cuántica”.
- Intercambios de criptografía cuántica Por un canal cuántico se envía información “clásica”.
Las necesidades de energía de las computadoras cuánticas generan calor, lo cual es un desafío dado que deben operar a temperaturas tan bajas. La teletransportación tiene el potencial de conducir a soluciones de diseño que acelerarán el desarrollo de la computación cuántica.
3. Sistema biológico
El cuerpo humano, como todas las criaturas, cambia continuamente debido a la interacción de millones de procesos químicos y biológicos. Hasta hace poco, se suponía que eran lineales, con "A" conduciendo a "B". Sin embargo, la biología cuántica y la biofísica han descubierto una gran cantidad de coherencia dentro de los sistemas biológicos, con QE desempeñando un papel.
La forma en que las diversas subunidades de estructuras proteicas se empaquetan juntos se desarrolla para permitir un entrelazamiento y una coherencia cuánticos sostenidos. La Biología Cuántica es todavía un tema teórico con varias inquietudes sin respuesta; cuando se aborden, las aplicaciones en medicina serán cada vez más visibles.
La computación cuántica, en teoría, puede parecerse más a la naturaleza (al simular enlaces atómicos) y a los sistemas biológicos cuánticos que las computadoras clásicas.
4. Codificación superdensa
La codificación superdensa es el método de transmisión de dos bits convencionales de información utilizando un solo qubit entrelazado. El código que es súper denso puede:
- Permite al usuario enviar la mitad de lo que se necesita para reconstruir un mensaje clásico con anticipación, lo que permite al usuario comunicarse al doble de velocidad hasta que se agoten los qubits preentregados.
- La capacidad de un canal cuántico bidireccional en una dirección se duplica.
- Convierta el ancho de banda de alta latencia en ancho de banda de baja latencia mediante la transmisión de la mitad de los datos a través del canal de alta latencia para admitir los datos que ingresan a través del canal de baja latencia.
Cada generación de comunicación ha requerido más transferencia de datos. Una ganancia comparable en información será posible con la codificación superdensa.
Conclusión
El entrelazamiento cuántico puede permitirnos trabajar con datos de formas antes inimaginables. Al integrar la computación cuántica con el entrelazamiento, podremos responder a los problemas que exigen una gran cantidad de datos de una manera más eficiente y segura.
Con la adición de aplicaciones biológicas y astronómicas, la QE podría usarse para responder a los problemas que los humanos se han planteado durante mucho tiempo: ¿de dónde venimos y cómo comenzó todo?
Cuanto más avance la tecnología, más aplicaciones encontraremos para ella: ¡es tremendamente prometedora!
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