Actualmente soy un estudiante de secundaria que investiga la computación cuántica. Fui referido a este sitio por Google y un amigo. Actualmente estoy investigando la parte qubit de la computación cuántica. Mi pregunta es exactamente cómo se crean los qubits en el laboratorio y cómo se entrelazan. No espero que las respuestas sean increíblemente específicas, pero una descripción general sería de gran ayuda.
Tome un protón (el núcleo de hidrógeno, en todas partes en el agua) que tiene un espín, y dado que está cargado, tiene polos norte y sur. Si lo mide, el polo norte apunta hacia arriba o hacia abajo en su instrumento. Si lo incrustas en un campo magnético, querrá alinearse con ese campo, pero no puede hacerlo fácilmente porque está girando como un pequeño giroscopio, por lo que tiene una precesión como un trompo. La velocidad a la que hace precesión depende de la fuerza del campo, y eso se puede detectar, por lo que tenemos la Resonancia Magnética Nuclear, que se usa en todas partes en las máquinas de resonancia magnética.
Al manipular el campo, puede poner el protón en un estado en el que está "en el medio" arriba y abajo. Si lo mides, será uno u otro, pero antes de medirlo, está en una mezcla de estados, llamada "superposición".
Si tiene algún número de ellos, como por ejemplo cuatro, al manipular el campo, puede ponerlos todos en un estado de mezcla. Pero no son como cuatro mezclas independientes. Más bien es una mezcla de 16 estados posibles. Si los mide todos a la vez, podría obtener cualquiera de las 16 respuestas posibles.
Cada uno de esos estados en la superposición es una combinación de bits completamente especificada, por lo que es como tener 16 computadoras diferentes de 4 bits ejecutándose en paralelo, pero todas ejecutan 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 puede ver que si puede poner suficientes qubits en esta superposición donde cada una de las combinaciones de 2^N es igualmente probable, puede realizar cálculos de 2^N en paralelo.
Luego, suponga que uno de esos cálculos llega a un resultado que desea conocer. Debe obtener el resultado midiendo, pero eso es complicado de explicar y puede ser demasiado para esta respuesta.
PS Uno de los aspectos interesantes de la computación cuántica es que tiene que ser reversible . Entonces, si tiene un algoritmo que desea ejecutar en una computadora cuántica, debe asegurarse de que el algoritmo se pueda ejecutar tanto hacia atrás como hacia adelante. Entonces, por ejemplo, si tiene una máquina de estado donde el estado A o el estado B pueden pasar al estado C, no funcionará en una computadora cuántica a menos que haya algo de memoria de cómo se ingresó C, por lo que la transición de estado puede ser " deshecho".
PPS Permítanme probar otra vez cómo se obtienen los resultados de una computadora cuántica. El método con el que estoy familiarizado es el algoritmo de búsqueda de Lov Grover., para realizar búsquedas en una tabla sin ordenar. Si la tabla contiene M entradas, crea una superposición con M estados, uno de los cuales "tendrá éxito". Dado que la única forma de obtener información es midiendo, lo que debe hacer es ajustar las amplitudes de probabilidad de los estados para que el exitoso tenga una alta probabilidad, de modo que cuando mida, es el que más probablemente verá. . Eso se hace mediante una manipulación que transfiere parte de la probabilidad de los estados fallidos al exitoso. Luego, el cálculo se ejecuta en sentido inverso hasta el principio, luego se ejecuta hacia adelante nuevamente y la operación de transferencia de probabilidad se realiza nuevamente. Esto se hace varias veces, hasta que el estado exitoso tiene casi todas las probabilidades. Es importante no hacerlo demasiadas veces, porque empezará a tener el efecto contrario.
Hay muchas maneras de hacer un qubit, el método más favorecido para el trabajo de laboratorio es usar una trampa de iones: un ion está contenido en una mezcla de campos eléctricos oscilantes y estáticos (wikipedia 'trampa de Paul'). Esto da dos qubits - el estado eléctrico del ion y su modo de vibración - y tiene la ventaja de estar bien separado del entorno (por lo que lleva mucho tiempo decoherencia), sin embargo, no es muy práctico para una computadora cuántica ya que combina las trampas de iones es muy difícil. También existe el trabajo adicional de tener que dividir los pulsos, por lo 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 está utilizando el estado fundamental y el primer estado excitado , es posible excitarlo al segundo estado excitado usando un pulso grande).
Una de las computadoras cuánticas más exitosas se ha hecho usando RMN líquida, utilizando la misma molécula sintética suspendida en un líquido. Esto se ha utilizado para ejecutar el algoritmo de Shor (factorización de enteros) en el número 15, utilizando 7 qubits. Sin embargo, el uso de moléculas sintéticas para una computadora cuántica nuevamente no es muy práctico, ya que las cadenas más largas se decoheren más rápido y las frecuencias de los núcleos se vuelven más cercanas entre sí, lo que las hace más difíciles (y eventualmente prácticamente imposibles) de abordar individualmente.
Uno de los impulsos actuales es hacer una computadora cuántica de estado sólido, ya sea usando espín electrónico o espín nuclear como qubits, ya que la experiencia con la computación clásica de estado sólido es muy alta. Pero hay algunos inconvenientes, el espín del electrón en GaAs (un material común utilizado para los puntos cuánticos) generalmente se descohere en alrededor de 250 us, lo que no da mucho tiempo para los cálculos. Por lo tanto, se ha sugerido el uso de fósforo, ya que su espín nuclear podría durar potencialmente del orden de horas, colocado en una red de silicio. Si bien su tamaño similar significaría que podría encajar muy bien en la red de silicio, es muy difícil de colocar para que cada átomo de P esté en una matriz regular: utiliza el proceso de dopaje, pero a diferencia de la fabricación de material p y n, el la aleatoriedad del dopaje es un grave inconveniente, ya que puede obtener múltiples átomos de P en una celda y luego ninguno en otras. La Universidad de Cambridge (y otras) están realizando un trabajo interesante en un método diferente: utilizar ondas acústicas superficiales para confinar un electrón en movimiento (verhttp://www.sp.phy.cam.ac.uk/SPWeb/research/sawqc.html ): parece que podría usarse para una computadora cuántica potencial, pero nuevamente está limitado por el tiempo de decoherencia del espín.
La "computadora" cuántica más grande que se ha fabricado es la D-Wave One (http://www.dwavesys.com/en/products-services.html), pero no funciona de la misma manera que debería funcionar una computadora cuántica: no funciona. No implementa ninguna puerta, sino que utiliza una red de potenciales de pozo doble para encontrar el estado de energía más bajo del sistema (a lo que se refieren como el modelo de energía programado). Utiliza anillos superconductores para implementar los qubits, girando hacia abajo en el sentido de las agujas del reloj y girando hacia arriba en el sentido contrario a las agujas del reloj.
Los qubits también se pueden hacer mediante el uso de pulsos láser, siendo el qubit la polarización del fotón y las puertas que se implementan mediante la óptica, pero eso es todo lo que sé de ellos.
En resumen, cosas que podrías usar como qubit
(Para una guía aproximada, usar el algoritmo de Shor (sin corrección de errores) para factorizar un número de 512 bits requiere ~2500 qubits y 10 gates, la computadora cuántica más grande que conozco tiene 7 qubits (excluyendo D-Wave), por lo que esto debería darle una idea de cuán lejos estamos de las computadoras cuánticas).
El entrelazamiento requiere que dos qubits interactúen y que su estado no sea separable. Se pueden escribir dos qubits con el siguiente estado,
NB: espero que esto no sea un nivel demasiado alto para usted, hay algunos buenos artículos de revisión en algunas revistas, pero no estoy seguro de si tendrá acceso a ellos. Un buen libro para una lectura de fondo general es 'Principles of Quantum Computation and Information: Vol 1: Basic Concepts' de Benenti, Casatio & Strini.