Los Algoritmos Cuánticos (AC)

 

Una dificultad adicional para que se convierta en realidad la gran potencialidad de la computación cuántica, está en la necesidad de desarrollar familias de Algoritmos Cuánticos (AC) eficientes para sistemas moleculares concretos compatibles con el tipo de (CC) utilizada.

Los (AC) que es necesario desarrollar, son muy diferentes de los tradicionales; resuelven en forma polinómica las ecuaciones diferenciales planteadas en la resolución de la ecuación de Schrodinger, en lugar de en la forma exponencial que utilizan los algoritmos tradicionales.

Con la utilización de las (CC) y de los (AC), se podrán determinar, de modo muy aproximado, los autovalores de la energía y las autofunciones de onda asociadas de los sistemas moleculares.

Con el uso de los nuevos (CC) y con el desarrollo de nuevos algoritmos cuánticos adecuados (AC) será posible, en un futuro no lejano, aplicar la química/física cuántica computacional a sistemas de gran tamaño, que contengan muchos electrones y de mayor complejidad, que esten en estados no excitados o excitados.

Los (AC) que se desarrollen, deberán poder ser utilizados por los (CC) de modo eficiente y demostrar que sus prestaciones, rebasan las prestaciones de los algoritmos utilizados por la computación clásica; esto no se ha conseguido demostrar por el momento.

Bibliografía:

[20]

 

No puede esperarse que la (CC) resuelva de modo analítico exacto la ecuación de Schrodinger, de cualquier sistema molecular por complejo que sea; será necesario desarrollar (AC) eficientes para sistemas moleculares concretos.

Los cálculos numéricos necesarios para resolver las ecuaciones diferenciales que se originan en la resolución de la ecuación de Schrodinger, se realizarán con muy superior precisión y gran rapidez, sin necesidad de emplear los tediosos métodos clásicos variacionales (Philip Ball 2017).

La aparición de los (CC) no supondrá, sin embargo, la eliminación de los ordenadores actuales, puesto que éstos serán necesarios para trabajar conjuntamente en múltiples aplicaciones, para elaborar los resultados aportados por las (CC).

 

 


Figura 12 :
Trabajo conjunto de las computadoras cuánticas y de las computadoras tradicionales


Recientemente se ha realizado una utilización conjunta de un ordenador clásico y un ordenador cuántico con relativamente pocos qubits, para resolver la molécula de hidrógeno H2 en estado fundamental y en estado excitado, empleando un algoritmo cuántico variacional (Variational Quantum Eigensolve (VQE); Collers et al 2018.

Los cálculos computacionales cuánticos permitirán determinar con muy superior eficiencia y precisión, la correlación electrónica de sistemas moleculares más complejos y de mayor tamaño.

El tratamiento más potente y completo de la correlación electrónica obtendrá con mayor exactitud, la estructura electrónica y la energía total de los sistemas moleculares en estado fundamental o en estado excitado.

 

Conclusiones:

Debe aceptarse la enorme potencialidad que tiene la computación cuántica y su efecto tecnológico transformador de la Sociedad.

 

Sin embargo, la transformación de su potencialidad teórica en aplicaciones concretas de enorme interés, inabordables con la computación clásica, tiene que enfrentarse a problemas físicos de difícil solución y a problemas matemáticos que desarrollen algoritmos para calcular, de modo eficiente, las ecuaciones diferenciales en derivadas parciales que plantea la resolución de la ecuación de Schrodinger.

 

Bordear estos obstáculos exige avanzar en el conocimiento teórico de las propiedades y de los comportamientos cuánticos de las partículas subatómicas que, a su vez, será potenciado con la computación cuántica; el avance en el conocimiento teórico tiene que ir acompañado de avances tecnológicos en la computación, que puedan aportar soluciones a los importantes problemas reales que puedan plantearse.

 

La problemática principal actual que plantea el desarrollo de la computación cuántica, puede resumirse en los siguientes aspectos:

  • a) Conseguir un funcionamiento cuántico total estable en el tiempo (coherencia del comportamiento cuántico), en el que coincídan la Superposición de Estados y el Entrelazamiento.
  • b) Poder añadir a las computadoras cuánticas el número necesario de qubits operativos, que mantengan un comportamiento coherente durante el tiempo de cálculo que necesite la computación.
  • c) Reducir el ruido y las vibraciones de fondo que produce el funcionamiento del conjunto de qubits operativos, a niveles que eviten la decoherencia cuántica.
  • d) Asegurar que el conjunto de qubits operativos esté a una temperatura estable muy próxima al cero absoluto.
  • e) Conseguir el aislamiento de las computadoras cuánticas de ruidos, vibraciones, luz y campos magnéticos procedentes de su entorno.
  • f) Desarrollar familias de algoritmos cuánticos específicos para cada sistema molecular, compatibles con cada tipo de computadora cuántica utilizada, de manera que realicen simulaciones satisfactorias que no pueden ser realizadas con los algoritmos tradicionales; además, los algoritmos cuánticos tienen que aportar soluciones de computación a aplicaciones prácticas complejas de interés científico y técnico, que no sean posibles de obtener con la computación clásica.
  • g) Optimizar el diseño, el tamaño, la fabricación y el funcionamiento de las computadoras cuánticas.
  • h) Desarrollar mecanismos de corrección de los errores producidos por la decoherencia cuántica

 

A más largo plazo podría plantearse el objetivo de desarrollar computadoras tradicionales, que puedan simular un funcionamiento en modo cuántico.

 

Quizá se hayan exagerado las expectativas de conseguir la deseada supremacía cuántica a corto plazo, como baza estratégica de primer orden, que todos quieren conseguir los primeros.

 

La supremacía cuántica” puede ser un concepto muy deseado más que una realidad, si pensamos que se puede conseguir en un corto período de tiempo (¿para el año 2022?).

 

La “supremacía cuántica real podrá ser alcanzada, cuando se consiga que: un conjunto suficiente de qubits operativos interconectados entre sí y dependientes unos de otros e instalados en una computadora cuántica, operen en modo cuántico real estable en el tiempo, de manera que se produzcan los efectos cuánticos simultáneos de la Superposición Electrónica y del Entrelazamiento; debe quedar demostrado que  la computación cuántica es capaz de realizar cálculos numéricos fiables y eficientes en aplicaciones prácticas.

 

La codificación simultánea de la información, a través de los múltiples estados de los espines electrónicos, permitirá realizar la computación cuántica, mediante la utilización de algoritmos eficientes específicos desarrollados, para cada tipo de sistema molecular concreto, que sean compatibles con las computadoras cuánticas utilizadas.

 

El horizonte temporal en el que se alcance la supremacía cuántica es difícil de prever y pudiera estar a décadas de distancia o en menor espacio de tiempo, considerando las grandes inversiones y recursos que se están comprometiendo en la pugna actual por llegar los primeros a conseguirla.

 

Bibliografía:

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  • [4] Course 2,www.phys.ubbcluj.ro/~ vchis/cursuri/cspm/course2.pdf. En la ecuación (EMNRINT) se considera que los núcleos no son puntos fijos, tienen un comportamiento cuántico y pueden interactuar con los electrones.
  • [5] Osama Awward 2018, Quantung Computing;
  • [6] Will Knight 2018, Serious Quantum Computers are finally here. What are we going to do with them? ;
  • [7] Komar Anna 2018, Quantum Computation and Information Storage on Quantum Double Models;
  • [8] Quantum Computing, https://whatis.techtarget.com/definition/quantum-computing.
  • [9] Physicist mimic quantum entanglement with laser pointer to doble data speeds 2015, https://www.ccny.cuny.edu/…/physicists-mimic-quantum-entanglement;¿
  • [10] Experiment obtains Entanglement of six light waves with a single laser 2018; http://www.sciencedaily.com/releases/2018/…/180906123330.ht….
  • [11] Owais Najam 2016, Superposition and Schrodinger equation+ cat.
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  • [14] Nicolai Friis 2010, Relativistic Effects in Quantum Entanglement (tésis U. Viena);
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  • [16] Matthew David Reed 2013, Entanglement and Quantum Error Correction.
  • [17] The Era of Quantum Computing is here. Outlook: Cloudy 2018,https://www.quantamagazine.org/the -era-of-quantum-computing.
  • [18] Roland de Wolf 2018, Quantum Computing Lecture Notes;
  • [19] Stefan Filpp 2018 IBM Research, Quantum Computing with Superconducting qubits-Towward Useful Applications.
  • [20] Suau Adrien 2018, Introduction to Quantum Computing.

4 Comentarios

  1. Juan M

    Excelente análisis sobre el desarrollo de familias de Algoritmos Cuánticos para su uso en la Computación Cuántica. Muy claro, conciso y fácil de entender para cualquier persona.

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