NeoFronteras

Microprocesador cuántico con arquitectura de Von Neumann

Área: Tecnología — viernes, 2 de septiembre de 2011

Consiguen realizar computaciones cuánticas sencillas con un pequeño microchip de estado sólido basado en la tradicional arquitectura de Von Neumann.

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El circuito en cuestión. Fuente: Erik Lucero.

No pasa una semana sin que algún laboratorio o universidad en el mundo proclame el haber avanzado en la computación cuántica. Sin embargo, pocos son los avances realmente significativos.
En un computador cuántico se trata de explotar exclusivamente fenómenos cuánticos, como la superposición y entrelazamiento, para realizar la computación.
Pero construir uno de estos computadores es realmente difícil porque los estados cuánticos son complicados de controlar y pueden ser destruidos fácilmente.
Como siempre que se trata de computación cuántica, la potencia de este tipo de procesamiento está en la capacidad de realizar varios cálculos simultáneamente. Problemas arduos computacionalmente, como la factorización en primos de números grandes, serían realizados fácilmente por este tipo de procesadores cuánticos (lo que quebraría el sistema RSA de cifrado en uso).
Aunque, de momento, estamos todavía lejos de un sistema comercial real de este tipo. El único sistema de computación “cuántico” en venta vale 10 millones de dólares, no tiene memoria y funciona como un computador pre-neumann.
Ahora, unos investigadores de la Universidad de California en Santa Bárbara dicen haber realizado una demostración física de un procesador cuántico con arquitectura de Von Neumann.
El dispositivo de estado sólido que han fabricado es un circuito completamente integrado que implementa la citada arquitectura, que es en la que están basados los microprocesadores ordinarios.
En una arquitectura von Neumann convencional una CPU está unida a una unidad central de memoria en donde se guardan datos e instrucciones.
En este dispositivo una memoria cuántica de acceso aleatorio de larga vida puede ser programada usando una unidad cuántica de procesamiento. Todos estos componentes están además integrados en un solo chip y proporcionan, por tanto, el componente clave para construir una versión cuántica del computador clásico. Además se puede fabricar por fotolitografía y no requiere de trampas de iones como en otros dispositivos similares.
Esta arquitectura representa un nuevo paradigma en el procesado cuántico de la información y demuestra que es posible alcanzar un alto grado de integración. El logro es similar al alcanzado en los años cuarenta cuando se implementó esta arquitectura en computadores clásicos.
El hardware está basado en circuitos superconductores fabricados con una mezcla de aluminio y renio que deben estar enfriados cerca del cero absoluto de temperatura para que así exhiban un comportamiento cuántico.
Aunque, de momento, el microprocesador es muy sencillo. Consta solamente de dos qubits de procesamiento formados por sendas uniones de Josephson simples, un bus de comunicación cuántico constituido por resonador de microondas superconductor, dos qubits de memoria formado por resonadores superconductores que atrapan estados de microondas y un registro de reinicio que borra la información cuántica.
Con este microchip los investigadores han conseguido escribir información cuántica y simultáneamente procesarla. En uno de sus experimentos calcularon una transformada de Fourier cuántica (componente clave en el algoritmo de Shor de factorización) que fue realizada con un 66% de eficacia. En otro experimento implementaron una puerta de fase Toffoli OR de tres qubits con un 98% de eficacia (este sistema requiere el entrelazamiento de tres qubits). Obviamente se necesita mejorar la eficacia alcanzada.
En cuanto a la permanencia en el tiempo de la información cuántica, los resultados obtenidos son también mejorables. Los tiempos de coherencia caían un 20% después de 400ns, aunque la fidelidad de la memoria estaba por encima de un 40% al menos durante 1,5 microsegundos.
El equipo de investigadores trabaja ahora sobre el aumento del rendimiento del microchip a través de la mejora de la calidad de los materiales empelados.
Quizás en un futuro podamos preguntar a un computador cuántico sobre si la vida tiene sentido o no y éste nos devuelva una superposición de estados |0> y |1> como respuesta. Mientras tanto tendremos que usar la computación convencional.

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Fuentes y referencias:
Nota de prensa
Artículo original.

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5 Comentarios

  1. lluís:

    Esa superposición de estados que nos daría el ordenador cuántico al preguntarle por el sentido de la vida vendría a decir que los estados “sentido-sin sentido” son incompatibles y que al mismo tiempo los dos estados son realmente el mismo estado,¿No?.Bueno, deberemos por ahora seguir con la computación convencional, pero en cualquier caso ya hemos superado aquella tabla denominada “criba de Eratóstones”.
    Saludos.

  2. joabbl:

    Me pregunto cómo serían los lenguajes de programación para estos hipotéticos ordenadores a gran escala y qué tipo de problemas podrían solucionar que no podamos ahora. Aparte del ejemplo de la factorización en números primos no se suelen oir muchos más. ¿Simulaciones? ¿de qué y con que lenguajes se programarían? ¿Inteligencia artificial a lo Penrose? La verdad es que todo esto me suena muy lejano. Como los reactores de fusión nuclear y los viajes interestelares.

    Saludos

    (PD: Ojalá algún día me pueda tragar mi escepticismo…)

  3. NeoFronteras:

    Básicamente se podrían solucionar en un tiempo muy corto problemas que ahora necesitan mucho tiempo de cálculo. El problema de factorización es uno de ellos.
    Sin embargo, se cree que no podrán con los problemas de tipo NP, al igual que ahora. Es lo que tiene que un problema crezca exponencialmente.
    No es fácil saber si podrán recrear inteligencia o consciencia, pues no se sabe qué son esas dos cosas todavía.
    La programación será más o menos complicada según lo bien que se haya trabajado en el sistema operativo y su lenguaje de programación. De momento la programación es a nivel elemental.
    Y sí, están bastante lejos de ser materializados. Aunque ya todo el mundo asume que cada 20 años se dice que la fusión nuclear controlada estará lista en 20 años. Así que puede que los computadores cuánticos lleguen antes.

    Eratóstenes era un genio y calculó, entre otras muchas cosas, el tamaño de la Tierra con una precisión de un 1% (asumiendo que usó el estadio egipcio como unidad de longitud).

    La última frase del artículo es, obviamente, una licencia poética.

  4. Arturo Fernández:

    Este procesador quedaría perfecto dentro del ordenador de una consulta de un homeópata especialista en medicina cuántica…

  5. Miguel Angel:

    Un placer leer vuestros comentarios… von Neumannn todo un genio que además cumple a la perfección con esa etiqueta de excentricidad que muchas veces se cuelga a los científicos de élite. En el caso de Neumann, mas que de excentricidad, creo que podría hablarse de “excesividad”, todo él era excesivo, excesivo su gusto por las fiestas nocturnas y por la “dolce vita” en general, excesiva su relajación al volante… y excesivo su magistral dominio de las matemáticas (creo recordar, aunque no se si me falla la memoria, que hacía una especie de competiciones improvisadas cuando se reunía con Einstein y Gödel…hay es nada…).
    Su trabajo, muy adelantado a su tiempo, como el de Dirac, merece la máxima atención.

    Saludos/abrazos

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