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Computación

Un ordenador cuántico con procesador y memoria

Conectando ambos elementos se podrían llevar a cabo cálculos complejos que superan la capacidad de los ordenadores convencionales.

  • por Tom Simonite | traducido por Lía Moya (Opinno)
  • 06 Septiembre, 2011

Investigadores de la Universidad de California en Santa Barbara (UCSB), en Estados Unidos, se han convertido en los primeros en combinar un procesador cuántico con memoria que puede almacenar instrucciones y datos. Este logro en computación cuántica reproduce un hito parecido en el diseño de la computación convencional de los años 40.

Aunque por el momento la computación cuántica se limita sobre todo a la investigación, mantiene la promesa de obtener ordenadores mucho más capaces que los que usamos hoy en día. La potencia de los ordenadores cuánticos proviene de su equivalente a la unidad básica de computación, el bit. En un ordenador convencional, un bit puede representar bien un 1, bien un 0, en cualquier momento dado. Gracias a la singularidad de la mecánica cuántica, el equivalente en una computadora cuántica, el qubit, puede representar ambos valores a la vez. Cuando los qubits que están en ese estado de “superposición” trabajan juntos, pueden operar en un número exponencialmente mayor de datos que el mismo número de bits normales. En consecuencia, los ordenadores cuánticos deberían ser capaces de descifrar encriptados, indescifrables en la práctica actualmente, y llevar a cabo simulaciones muy complejas.

Poder conectar un procesador y elementos de memoria acerca el día en que este tipo de aplicaciones vea la luz, ya que así es más práctico controlar y programar las capacidades de un ordenador cuántico, según Matteo Mariantoni, director de este proyecto, que forma parte de un programa más amplio en la UCSB encabezado por John Martinis y Andrew Cleland.

El diseño adoptado por los investigadores se conoce como 'arquitectura Von Neumann', bautizada en honor de John von Neumann, precursor de la idea de hacer ordenadores que combinaran procesador y memoria. Antes de que se construyeran los primeros diseños Von Neumann a finales de los años 40, los ordenadores solo se podían reprogramar mediante una reconfiguración física. “Todos y cada uno de los ordenadores que usamos en nuestra vida diaria están basados en la arquitectura Von Neumann y nosotros hemos creado el equivalente en mecánica cuántica”, afirma Mariantoni.

El único sistema de computación cuántica disponible para la venta cuesta 10 millones de dólares -unos 7 millones de euros-, no tiene memoria y funciona como un ordenador pre-Von Neumann.

Los qubits se pueden crear de varias maneras, por ejemplo suspendiendo iones o átomos en campos magnéticos. El grupo de la UCSB utilizó circuitos eléctricos, más convencionales, aunque hay que enfriarlos casi hasta cero absoluto para que sean superconductores y se active su comportamiento cuántico. Se pueden elaborar mediante técnicas de fabricación de chips usadas para los ordenadores convencionales. Mariantoni sostiene que usar circuitos superconductores permitió al equipo colocar los qubits y los elementos de memoria cerca unos de otros, en un único chip, lo que posibilitó el diseño inspirado en Von Neumann.

El procesador consiste en dos qubits unidos por un bus cuántico que les permite comunicarse. Cada uno de ellos también está conectado a un elemento de memoria en el que el qubit puede guardar su valor actual para usarlo más adelante, cumpliendo la función del RAM (siglas en inglés de memoria de acceso aleatorio) de un ordenador convencional. Las uniones entre los qubits y la memoria contienen aparatos denominados 'resonadores', circuitos en forma de zigzag dentro de los cuales el valor de un qubit puede vivir durante un periodo corto de tiempo.

El grupo de Mariantoni ha usado el nuevo sistema para ejecutar un algoritmo que es una unidad básica computacional, denominado 'puerta Toffoli', que puede usarse para poner en marcha cualquier programa de ordenador convencional.  El equipo también usó su diseño para llevar a cabo una operación matemática que subyace en el algoritmo con el que una computadora cuántica podría resolver encriptados complejos.

David Schuster dirige un grupo en la Universidad de Chicago (EE.UU.) que también trabaja en computación cuántica y circuitos superconductores. Según afirma Schuster, hace poco que estos circuitos han demostrado ser comparativamente fiables. “Una de las grandes fronteras con las que se encuentran ahora estas técnicas es la escala”, explica. Al reproducir la arquitectura Von Neumann, el equipo de la UCSB ha ampliado esa frontera.

Sin embargo, eso no significa que todos los ordenadores cuánticos deban adoptar ese diseño, como hicieron los ordenadores convencionales. “Se puede fabricar un ordenador entero con qubits que sea capaz de hacer toda clase de cálculos”, sostiene Schuster. Sin embargo, usar resonadores como los que integran la memoria del nuevo diseño tiene ventajas, asegura. “Los resonadores son más fáciles de fabricar y de controlar que los qubits y son más fiables”.

Mariantoni está de acuerdo. “Podemos escalar fácilmente el número de estas células unitarias”, asegura. “Creo que las series de resonadores son el futuro de la computación cuántica con circuitos integrados”, concluye el director del proyecto.

Computación

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