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

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.