Ventajas de la potencia de la computación cuántica

Si se puede implementar una computadora cuántica, inherentemente será muchos órdenes de magnitud más eficiente energéticamente para llegar a una solución dada.

Una forma de explicar por qué es que una computadora cuántica no depende en absoluto de la entropía en el sentido convencional. En cambio, se "establece" en una solución que socava las definiciones estándar (entrópicas) de pasado y futuro. Esa es la parte de "entrelazamiento" de la computación cuántica, la parte que simplemente no puede ser modelada por ningún método clásico. Como una analogía muy aproximada, esa parte es un poco como moverse hacia una solución ligeramente, luego retroceder un poco en el tiempo y comenzar el cálculo nuevamente con ese resultado ligeramente mejorado. Haga eso un millón de veces e incluso un problema de factoraje intratable se vuelve solucionable.

Aquí hay una comparación física: imagine tratar de borrar un pequeño bloque de granito usando solo borradores de lápiz. No suena muy fácil, ¿verdad? Claro, puede borrar algunas moléculas del bloque con un borrador de lápiz antes de que el borrador se acabe, pero hacer todo el trabajo llevaría una cantidad incalculable de siglos, a un costo increíble en términos de borradores (el costo "entrópico"). .

Pero ahora imagina que cada vez que terminas de borrar algunas moléculas del bloque de granito, puedes retroceder en el tiempo y repetir el proceso de borrado, esta vez usando ese bloque de granito un poco más pequeño. Aún necesitará repetir el proceso una cantidad inimaginable de veces para terminar de borrar el bloque de granito, pero dos cosas han cambiado drásticamente: ya no necesita siglos para hacerlo (es increíblemente más rápido) y ya no necesita un número casi infinito de gomas de borrar nuevas para hacerlo (es increíblemente menos entrópico, es decir, los recursos necesarios se han vuelto casi insignificantes).

Si todo eso suena demasiado bueno para ser verdad, ahora tiene una pequeña idea de por qué en las décadas transcurridas desde que @PeterShor propuso por primera vez un algoritmo de computación cuántica, la posibilidad misma ha cautivado las mentes y los recursos de muchas personas en física, seguridad y investigadores computacionales de todo el mundo. Factorizar un número realmente enorme con métodos conocidos resulta ser más difícil que borrar bloques de granito con borradores de lápiz, pero no más fácil. De hecho, es bastante fácil plantear problemas de factorización que, para completarse con la computación convencional, requerirían lapsos de tiempo que son muchas veces más grandes que toda la historia del universo.

Debo mencionar que la segunda "especia" en la computación cuántica es su paralelismo masivo, que es un aspecto algo diferente de la mecánica cuántica que a menudo se presenta como una explicación completa. Esa parte se basa en la idea de que en lugar de ejecutar un solo valor a través de una computadora (p. ej., enviar un bit "1" a un puerto de entrada), la mecánica cuántica le permite ejecutar múltiples entradas a través del mismo puerto al mismo tiempo (p. ej. , ambos bits "0" y "1", una combinación que se conoce como qubit ). Haga eso con suficientes entradas y terminará obteniendo un aumento enorme y combinatorio en el poder computacional, un aumento del que no hay que reírse.

A menudo se piensa que esta es la parte verdaderamente "cuántica" de la computación cuántica porque la idea de que una ubicación puede tener múltiples estados al mismo tiempo es una idea muy cuántica. Se llama superposición cuántica de estados, y es una especie de característica definitoria de la física cuántica, dado que no hay ninguna superposición de estados, su sistema puede describirse mediante la física clásica ordinaria.

¿Pero sabes que? Si un qubit se usa solo de esa manera, no es suficiente.

Una forma de entender por qué es pensar que tales estados múltiples que se ejecutan a través de una computadora proporcionan paralelismo en el espacio . Es decir, en lugar de tener que usar dos computadoras en paralelo para procesar las entradas "0" y "1" al mismo tiempo, usa solo una computadora con los bits "0" y "1" superpuestos en el mismo lugar en el espacio . ¡Voila! Ha ahorrado todo el espacio y los requisitos de energía de potencialmente muchas, muchas computadoras que se ejecutan en paralelo, realizando las mismas tareas en una sola.

Pero piense en el ejemplo que di antes. El poder para borrar el bloque de granito no vino de ser paralelo en el espacio , sino de ser paralelo en el tiempo . Es decir, cada iteración del borrador fue "amontonada" para que tuviera lugar durante el mismo fragmento de tiempo, no solo de espacio.

El paralelismo temporal emerge solo cuando comienzas a considerar el curioso efecto del entrelazamiento, que causa estragos en los conceptos ordinarios de tiempo al proporcionar efectos que son "instantáneos" a través de distancias en el espacio. La relatividad dice cosas muy raras sobre cualquier cosa que funcione así, ya que hace que el espacio y el tiempo sean intercambiables.

Entonces, la conclusión es esta:

1. Cualquier tipo de computadora cuántica será más eficiente porque utilizará formas de paralelismo que no invoquen los costos entrópicos de un gran número de computadoras.

2. Los diseños más poderosos para la computadora cuántica son paralelos tanto en el espacio como en el tiempo, una combinación que permite niveles de computación bastante inimaginables dentro de volúmenes muy pequeños de espacio y tiempo.

TENGA EN CUENTA: Peter Shor definitivamente participa en este grupo, y froté su lámpara mágica antes cuando puse un ampersand delante de su nombre.

Entonces, si el profesor Shor apareciera (¡Puf!), por la presente renuncio a todo lo que acabo de decir por todo lo que el profesor Shor pueda tener que decir. El desprecio y el ridículo son, de hecho, totalmente bienvenidos si corresponde, y si se reparten simplemente me harán decir "¡ genial , gracias!"

Lo que hace que las computadoras cuánticas sean poderosas no es su velocidad, sino que son inherentemente masivamente paralelas. Si una máquina tiene$n$qubits de "almacenamiento de trabajo", entonces puede hacer hasta$2^n$Cálculos paralelos, análogos a una máquina SIMD (datos múltiples de instrucción única).

Es demasiado pronto para hablar sobre el uso de energía porque las computadoras cuánticas reales no han podido ir más allá de una cantidad bastante pequeña de qubits.