Si una computadora tradicional usa transistores, ¿qué se usará en las computadoras cuánticas?

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Transistores, pero diferentes.

Vayamos por partes.

TRANSISTORES Y COMPUTADORAS

Un procesador (actual) está compuesto de miles de millones de diminutos transistores. Estos actúan como unidades muy básicas de procesamiento que, al combinarse, son capaces de llevar a cabo todas las operaciones que realiza un PC.

La arquitectura de un microprocesador no es más que la organización de la conexión de estos pequeños dispositivos. Las interconexiones harán que sean capaces de llevar a cabo un tipo de tareas u otras.

Dos procesadores pueden ser completamente diferentes, pero los ladrillos que los componen, los transistores, funcionan en ambos de manera idéntica.

No todos los transistores son iguales, ni siquiera de tamaño. Dentro de un microchip los transistores necesitan tener una alimentación, una corriente eléctrica que pase por ellos. Esta está controlada por unos transistores que se denominan de carga. Estos deben ser capaces de llevar por su interior toda la corriente que alimenta los distintos bloques. Por lo tanto, estos deben ser de un tamaño mayor que los transistores normales.

Un transistor es un dispositivo que tiene tres conexiones. La corriente pasa a través de dos de ellas siempre y cuando en la tercera exista una diferencia de voltaje con cualquiera de las otras.

En definitiva, un transistor no es más que un interruptor muy rápido. Esta sencilla funcionalidad le permite ser capaz de llevar a cabo cualquier tipo de operación lógica o matemática.

Al ser capaz de controlar una corriente usando un voltaje el transistor es capaz de jugar con estas dos magnitudes.

De aquí surge su nombre, ya que transistor viene de juntar las palabras transfer resistor es decir, es capaz de transferir una determinada resistencia. Puede en un momento bloquear una corriente, funcionando entonces como una resistencia muy grande, o dejarla correr pasando a tener una pequeña resistencia.

La conexión entre los transistores puede ser entre cualquiera de sus tres terminales. Dependiendo de cómo se conecten serán capaces de realizar una u otra función.

Un microprocesador puede tener sin problemas mil millones de transistores, con lo cual lo que es en esencia (un sencillo elemento) se complica más y más con la arquitectura.

Las tres conexiones son el drenador, el surtidor o fuente y la puerta. El voltaje sobre la puerta es el que controla la corriente entre el surtidor y el drenador.

Para un dispositivo digital, como es un procesador, lo que importa es la activación o desactivación de esas señales. Sin embargo, para uno analógico (un amplificador), sí es esencial la amplitud de esos voltajes y corrientes. Por esta razón los dispositivos analógicos suelen tener una mayor variedad de elementos como bobinas, condensadores y resistencias.

[Fuente: ¿Cómo funcionan los transistores dentro de un procesador?]

COMPUTADORAS CUÁNTICAS

En una reunión de 2012, el físico Seth Lloyd explicó a los fundadores de Google Sergey Brin y a Larry Page un uso cuántico de Internet. Lo llamaba Quoogle, y era un motor de búsqueda que usaba matemáticas basadas en las leyes físicas de las partículas subatómicas y arrojaba resultados sin conocer realmente la consulta. Tal avance requeriría un tipo de memoria completamente nuevo, llamado qRAM, o memoria cuántica de acceso aleatorio. La idea fue rechazada.

Pero la qRAM como idea no había muerto. Los ordenadores de hoy son bastante buenos a la hora de recordar información representada por miles de millones de bits (dígitos binarios que pueden ser iguales a cero o uno). La RAM, o memoria de acceso aleatorio, almacena los datos a corto plazo en chips de silicio, asignando a cada parte de los datos una dirección única a la que se puede acceder aleatoriamente –en cualquier orden– para poder consultar los datos más adelante. Eso hace que los procesos de computación sean mucho más rápidos, lo que a su vez permite que tu PC o tu teléfono accedan rápidamente a la memoria RAM para los datos que las aplicaciones utilizan más frecuentemente en lugar de usar el almacenamiento, que es mucho más lento.

Algún día, los procesadores de nuestros dispositivos serán sustituidos por procesadores cuánticos, que serán perfectos para buscar entre grandes cantidades de datos, utilizar machine learning y para ciertas aplicaciones de inteligencia artificial. Los ordenadores cuánticos todavía son una tecnología incipiente, pero para ejecutar esos algoritmos tan ventajosos necesitarán acceder a la RAM de una forma completamente nueva. Ahí es donde aparece la qRAM.

“La qRAM tendría una utilidad asombrosa, y haría que los dispositivos cuánticos que hacen hoy Google e IBM fuesen mucho más útiles”.

¿Qué es la computación cuántica?

Los ordenadores clásicos, ya sean un laptop, un smartphone o un supercomputador, realizan todas sus operaciones convirtiendo datos en una o varias combinaciones de bits (ceros y unos). Los bits interactúan, y el resultado final es otra combinación de unos y ceros. Las computadoras cuánticas también dan un resultado de unos y ceros. Pero mientras se realiza el cálculo, sus bits cuánticos, o qubits, se comunican entre sí de una forma diferente, a través de las mismas reglas de la física que rigen también sobre los electrones.

En lugar de representar un uno o un cero, un solo qubit puede ser un poco de ambos durante el cálculo, ya que se sigue una ecuación matemática especial que codifica la probabilidad de obtener un cero o un uno al medir realmente el valor del qubit. Varios qubits usan ecuaciones más complejas que tratan las combinaciones de los valores de los qubits como objetos matemáticos individuales. El resultado final es una o varias cadenas binarias posibles, y el valor final que se le da al usuario es determinado por las probabilidades cifradas en las ecuaciones.

Este extraño concepto matemático de que los qubits “son-ecuaciones-hasta -que-los-mides-y-entonces-vuelven-a-comportarse-como-bits-pero-sus-valores-podrían-tener-cierta-aleatoriedad” podría ser útil para solucionar problemas que normalmente son difíciles para los ordenadores. Uno de esos problemas tan difíciles es factorizar números grandes en números primos. La cara oscura es que también permitiría romper el algoritmo utilizado para almacenar gran parte de nuestros datos cifrados, algo muy preocupante para la ciberseguridad (tarjetas de crédito, RSA, etc). Finalmente, también podría ser una nueva forma de que los ordenadores pudieran manejar grandes conjuntos de datos, como los que existen en problemas de machine learning (por ejemplo, sistemas avanzados de reconocimiento facial).

Los ordenadores cuánticos no son mejores que los ordenadores comunes (todavía). Los superordenadores clásicos pueden simular procesadores cuánticos de hasta 50 qubits.

Este extraño concepto matemático de que los qubits “son ecuaciones hasta que los mides y entonces vuelven a comportarse como bits pero sus valores podrían tener cierta aleatoriedad” podría ser útil para solucionar problemas que normalmente son difíciles para los ordenadores.

Pero muchos investigadores esperan encontrar maneras en que los ordenadores cuánticos puedan potenciar la inteligencia artificial y el machine learning utilizando algoritmos cuánticos. Esos algoritmos son complejos y requieren el acceso a grandes cantidades de datos, lo que significa que necesitarían el equivalente cuántico de la memoria RAM: la qRAM.

La RAM cuántica no consiste en miles de millones de bits almacenados de alguna manera en unos pocos qubits. Se trata de un método para que los ordenadores cuánticos apliquen sus operaciones cuánticas a las grandes listas de datos que podrías ver en los problemas de machine learning. En definitiva, la RAM normal consiste en datos almacenados para que un programa los use, y los programas acceden a esos datos almacenados especificando la dirección de los bits, como ocurre cuando se suman las celdas de una hoja de cálculo: escribiendo “sum (A2 + B2)” en lugar de escribir los números en las celdas todo el rato. Los algoritmos cuánticos tendrían la necesidad de poder acceder de forma cuántica a la RAM. Al nivel más básico, podrían establecer una superposición que sea A2 y B2 al mismo tiempo, y luego devolver el valor en A2 o B2 cuando hayan completado el cálculo. No hay nada cuántico en la memoria en sí, sino en cómo se usa y se accede a ella.

Básicamente, si tuvieses muchos datos almacenados, podría haber un algoritmo cuántico que consiga hacer un trabajo mejor que el de un ordenador normal a la hora de buscar entre esos datos y hacer algo relevante con ellos. Esto podría ser bastante lucrativo para industrias como la financiera o para empresas como Google.

Básicamente, dado que cada dirección en la RAM es solo una serie de bits, puedes representarla como un árbol donde cada qubit es un comando que le dice al ordenador que se dirija hacia la izquierda o hacia la derecha. Esto funciona en los ordenadores clásicos; pero un ordenador cuántico con solo una opción a la izquierda o a la derecha introduciría caminos adicionales a lo largo de cada ramificación, lo que en última instancia generaría un estado cuántico tan grande y frágil que podría fácilmente desintegrarse en un estado no cuántico.

La mayoría de los algoritmos que se están investigando necesitan algún tipo de RAM cuántica. Cualquier cosa que podamos hacer para reducir su costo puede reducir enormemente el tiempo de procesado en los ordenadores cuánticos.

Pero la computación cuántica está todavía en una edad muy temprana. Es casi ridículo imaginar hoy la forma en que los primeros ordenadores recordaban las cosas. La RAM estaba compuesta por bucles magnéticos conectados por cables, donde cada bucle representaba un solo bit y la orientación del campo magnético en la bobina representaba el valor del bit. La primera computadora producida comercialmente, la UNIVAC-I, almacenaba los datos mediante la conversión de pulsos eléctricos en ondas de sonido a través de mercurio líquido. Además, no era una memoria de acceso aleatorio; en lugar de poder recuperar los datos almacenados cuando lo deseaba, solo podía recuperar los datos en el orden en que fueron enviados. Pero en su día era considerado como un ordenador puntero.

¿Cómo será finalmente la RAM cuántica?

Probablemente no como Lloyd y su equipo imaginaron. Sin duda quedan muchos avances tecnológicos y matemáticos por descubrir que optimizarán estos ordenadores y la forma en que almacenan los datos.

Lloyd también lo creía. “Me encantaría que alguien diese una paliza a nuestra idea original”, dijo. “Si pudiéramos cargar información clásica en estados cuánticos, sería una mejora tremenda para los ordenadores cuánticos”. Después de todo, los ordenadores son algo más que su capacidad para ejecutar algoritmos sofisticados; son fascinantes por la forma en que esos algoritmos pueden abstraer datos y hacer algo útil con ellos.

Un transistor de luz cuántico en la computación basada en fotones es el primer transistor de fotón único que usa un chip semiconductor cuántico, capaz de una aceleración exponencial en los problemas de cómputo.

Las computadoras cuánticas necesitarán hardware análogo a los chips actuales con transistores tradicionales, para manipular la información cuántica.

Los fotones pueden transportar rápidamente información a largas distancias y son compatibles con chips fabricados idóneos. Sin embargo, producir un transistor cuántico activado por la luz es muy difícil, ya que requiere que los fotones interactúen entre sí, para lo que habría que inducirlos a ello.

El chip fotónico está hecho de un semiconductor con muchos orificios. La luz que entra al chip rebota y queda atrapada por el patrón del orificio; un pequeño cristal llamado punto cuántico se encuentra dentro del área donde la intensidad de la luz es más fuerte. De forma análoga a la memoria de la computadora convencional, el punto almacena información sobre los fotones a medida que ingresan al dispositivo.

Serían transistores con una configuración diferente a los tradicionales.