LENGUAJES PROGRAMABLES CUANTICOS

En un futuro cercano una Internet cuántica podría transferir datos entre el software y las computadoras cuánticas, que podrían superar a los ordenadores normales mediante la ejecución de varias operaciones a la vez, en superposición.
Mientras tanto, la mayoría de los ingredientes básicos técnicos de una Internet cuántica han sido ahora demostrados, al menos en el laboratorio. En concreto, los investigadores han creado varios tipos de "memoria cuántica", en la cual los pulsos de luz que viajan a través de una fibra óptica esencialmente frenan hasta detenerse, un requisito crucial para la versión cuántica de un enrutador (router) de Internet.
Así que puede ser sólo una cuestión de tiempo antes de que los científicos puedan comenzar a irradiar cosas - o por lo menos los datos.

La mayor parte de las piezas necesarias para armar una Internet cuántica existen ahora, y el reto será hacer que trabajen juntos de manera eficiente.
Con la mejor tecnología disponible hasta el momento, un prototipo que funcione podría ser capaz de enviar un solo qubit por minuto.
Para todo ello vamos a necesitar lenguajes de programación nuevos. yo estoy trabajando en un lenguaje que llamo Quantum Basic (r), lleva su tiempo desarrollarlo, pero todo comienza con un primer paso. Los lenguajes de programación cuántica se pueden dividir en cuatro grandes clases (A) imperativos, (B) declarativos (normalmente, funcionales), y (C) otros (algunos son sólo formalismos matemáticos). Hay muchos lenguajes de programación útiles para la computación cuántica, algunos incluso de alto nivel. El pseudocódigo propuesto por Oliver Knill acabó resultando en el primer lenguaje imperativo cuántico, C quántico (QCL). Este lenguaje se basa en utilizar una memoria RAM cuántica (QRAM), con un flujo de control clásico que involucra tantos datos clásicos como cuánticos.

Merece la pena leer el proyecto fin de carrera (master thesis) de Bernhard Ömer, “Quantum Programming in QCL” que incluye implementaciones QCL de los algoritmos cuánticos más populares. Por ejemplo, el algoritmo de Peter Shor para factorización de números requiere 9 páginas de texto en QCL, aunque en pesudocódigo es extraordinariamente corto.
Otro lenguaje cuántico basado en C++ es Q Language. Incluye construcciones cuánticas básicas para todas las operaciones cuánticas más utilizadas, como QHadamard, QFourier, QNot, QSwap, and Qop. Permite definir nuevos operadores y todo en un contexto “orientado a objetos”. Discutir otros lenguajes imperativos, como qGCL (quantum Guarded Command Language) de Sanders-Zuliani ó LanQ de Mlnarik nos llevaría lejos.
Los lenguajes cuánticos declarativos se basan en el paradigma funcional utilizando una variante cuántica del Lambda cálculo de Church, por ejemplo, el lenguaje introducido por Maymin que ha sido la base de QFC (Quantum Flow Charts) de Selinger que ha dado lugar a QPL (Quantum Programming Language) y a cQPL.

"Nuestra imaginación es el límite de la Internet".

 "End of transmission".

NANOTECNOLOGIA CUANTICA

La nanotecnología avanzada, a veces también llamada fabricacion molecular, es un término dado al concepto de ingenieria de nanosistemas (máquinas a escala nanométrica) operando a escala molecular. Se basa en que los productos manufacturados se realizan a partir de átomos. Las propiedades de estos productos dependen de cómo estén esos átomos dispuestos. Así por ejemplo, si reubicamos los atomos del grafito (compuesto por carbono, principalmente) de la mina del lapiz podemos hacer diamantes (carbono puro cristalizado). Si reubicamos los átomos de la arena (compuesta básicamente por silice) y agregamos algunos elementos extras se hacen los chips de un ordenador.

En estos cuarenta años, la potencia de cálculo de un chip se ha incrementado en más de un millón. Se trata de un avance tecnológico sin precedentes en la historia de la humanidad. Esta picada hacia lo infinitamente pequeño continúa con los procesadores de 22 nm de Intel, que se han anunciado este año, aunque los ingenieros de Intel ya están preparando las próximas generaciones de chips de 14 nanómetros en el año 2014 y al 10 nanómetros (alrededor de 40 átomos), alrededor de 2017.

En 2007, Gordon Moore anunció que su ley de duplicar el número de transistores en un chip cada dos años, dejará de aplicarse en 2020, debido a que por debajo de los 10 nanómetros, los transistores no contienen más de unos pocos átomos, y su comportamiento entonces empieza a obedecer las leyes de la física cuántica. Hoy en día, los investigadores, en lugar de considerar estas leyes como un obstáculo insuperable, tratan de usarlas a su favor para que comience una nueva era en el mundo de la informática.
De este modo, los físicos e ingenieros de todo el mundo buscan desarrollar nanodispositivos basados en nanotubos de carbono, que podrían sustituir los transistores actuales y los circuitos impresos. Pero más importante aún, los investigadores están tratando de utilizar las leyes cuánticas para superar el cálculo binario en el que se basa la informática desde su invención en la década de 1940.

Un equipo internacional de investigadores de la Universidad de Sherbrooke (Canadá) ha desarrollado un dispositivo semiconductor que puede ser utilizado por un ordenador cuántico. Este dispositivo se basa en un punto cuantico doble, que captura dos electrones, cuya orientación de spin se puede controlar por un micro-imán. La base de un ordenador cuántico, consiste en mantener el estado cuántico creado un cierto tiempo, antes de que la superposición de estados interaccione con la materia existente alrededor. Para conseguir dicho objetivo los se siguen dos lineas de investigación : La primera intentando disminuir el tiempo necesario para cambiar el spin del electrón, modificando la geometría de los micro-imanes. Y por otra parte, los físicos intentan aumentar el tiempo de coherencia del estado cuántico utilizando nuevos materiales de una pureza elevada.

Un equipo de investigación ha demostrado que es posible producir estados cuanticos entrelazados con dos diamantes que distan de 15 cm. Dichos experimentos han demostrado que los fotones de los dos diamantes están intrincados, probando que las propiedades de la mecánica cuántica, pueden extenderse al mundo macroscópico. Pero lo más interesante de este descubrimiento es que el estado cuántico se obtuvo a temperatura ambiente, gracias a las notables propiedades físicas del diamante.

La tecnología « Túnel-FET » desarrollada utiliza un principio cuántico particular: "el efecto tunel" en el que se permite el paso de algunos electrones de muy poca energía para desencadenar la activación de un transistor, violando de esta manera la física clásica. Gracias a los avances en el campo de los materiales está considerando la posibilidad de sustituir por completo el transistor de efecto túnel por el clásico transistor de efecto campo.

Este avance tecnológico desarrollará chips mucho más potentes y con un consumo de energía mucho menor al actual. La enorme potencia de cálculo de las futuras supercomputadoras cuánticas supondrá una revolución incomparable. De hecho, en un ordenador clásico, el valor de un bit es 1 o 0 mientras que los "Qubit" pueden tomar dos valores al mismo tiempo, lo que permite realizar cálculos en paralelo. Estas futuras computadoras tendrán el poder de lograr en unos pocos segundos de simulaciones numéricas lo que ahora están exigiendo durante semanas o meses de trabajo a los mejores supercomputadores de hoy.

"Los principios de la física, tal y como yo los entiendo, no niegan la posibilidad de manipular las cosas átomo por átomo... Los problemas de la química y la biología podrían evitarse si desarrollamos nuestra habilidad para ver lo que estamos haciendo, y para hacer cosas al nivel atómico". Richard Feynman

"End of transmission".

EL ENTORNO DE LA INFORMACION CUANTICA

Un grupo dirigido por el físico Viatsheslav Dobrovitski, del Laboratorio Ames, en Estados Unidos, y que incluyó a científicos de la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos, la Universidad de California en Santa Bárbara, y la Universidad del Sur de California, han dado un paso adelante en el uso del movimiento de núcleos y electrones individuales para el procesamiento cuántico de información, superando el problema de las interferencias externas. 
El gran avance logrado consiste en que estos científicos han conseguido desacoplar qubits individuales del entorno, de modo que conservan su información y a la vez se preserva el acoplamiento entre los propios qubits, protegiendo la información cuántica de la degradación causada por el entorno mientras simultáneamente se realizan cálculos en un sistema cuántico de estado sólido.

Los investigadores han demostrado que la técnica puede ser usada para el procesamiento cuántico de información a pequeña escala. Dobrovitski y sus colaboradores han conseguido ejecutar con éxito el algoritmo de búsqueda cuántica de Grover, un método para búsquedas en listas aleatorias. En este caso, usaron su sistema híbrido de estado sólido para buscar correctamente en una lista de cuatro elementos. Al igual que otros algoritmos de naturaleza cuántica, como el algoritmo PageRank de Google, el algoritmo de Grover es un algoritmo de carácter probabilístico, por lo que produce la respuesta correcta con una determinada probabilidad de error, que, no obstante, puede obtenerse tan baja como se desee por medio de iteraciones.

Esta es la primera vez que se demuestra un cómputo cuántico robusto usando un sistema de estado sólido con espines individuales. Dobrovitski y sus colaboradores han mostrado que aún con las inevitables imperfecciones de los experimentos, es viable usar este sistema para realizar procesamiento cuántico de información de un modo que supera a su homólogo clásico, la computación electrónica convencional, porque, y esto es importantísimo, para una lista de cuatro elementos, el dispositivo cuántico encuentra correctamente el elemento deseado examinando la lista de una sola vez (los cuatro elementos al mismo tiempo), mientras que la computación clásica, limitada por las leyes de la física que gobiernan los fenómenos en los que se basa, inspecciona los cuatro elementos de uno en uno.

"La física es el sistema operativo del Universo y la cuántica la de los computadores"

"End of transmission"

CONTROLANDO LA DECOHERENCIA CUANTICA

La decoherencia cuántica es el término aceptado y utilizado en mecánica cuántica para explicar como un estado cuántico puede dar lugar a un estado físico clásico, en otras palabras como un sistema físico, bajo ciertas condiciones específicas, deja de exhibir efectos cuánticos y pasa a exhibir un comportamiento típicamente clásico, sin los efectos contraintuitivos típicos de la mecánica cuántica.
Mantener un qubit estable durante un tiempo indefinido parece imposible, ya que la decoherencia cuántica destruye su estado. ¿Se puede controlar la decoherencia?
Se propuso un esquema teórico para controlar la decoherencia mediante un bucle realimentado continuo utilizando medidas débiles. Se publicó en Nature la primera implementación experimental de dicho esquema. Un qubit superconductor acoplado a una cavidad óptica de microondas, que sin control sufre la decoherencia en pocos microsegundos, gracias al control realimentado logra mantener su estado durante al menos 20 milisegundos; por cuestiones técnicas no se ha podido medir el qubit durante un tiempo más largo, (aunque el artículo técnico de R. Vijay et al., “Stabilizing Rabi oscillations in a superconducting qubit using quantum feedback,”) afirma que la teoría predice que su método podría haber logrado controlar el qubit durante un tiempo casi indefinido. Aunque quizás son muy optimistas, este nuevo resultado es un gran avance en el campo de los computadores cuánticos.

La idea del control realimentado, imagina que tenemos que conducir un coche en un juego de computador por una pista de carreras circular de tal forma que se de una vuelta al circuito cada minuto. Hay un gran reloj en el centro de la pista que marca el tiempo. ¿Cómo lo haríamos? Lo más obvio sería tratar de mantener la velocidad del coche para que fuera justo al lado del lugar apuntado por la manilla (o aguja) del reloj. Si vas un poquito por detrás, pisarás el acelerador, pero si la adelantas, pisarás el freno (o desacelerarás). Este proceso se llama control realimentado continuo.

Vijay et al. ha utilizado esta idea para controlar un qubit superconductor de estado sólido (un diodo Josephson) acoplado a una cavidad de microondas tridimensional. Aplicando un campo de microondas a cierta frecuencia (que actuará como reloj) se puede lograr que el qubit “resuene” al ritmo de dicho campo. La decoherencia cuántica (debida a cualquier fluctuación del sistema cuántico) hace que el qubit se desacople del reloj y se ponga a oscilar a un ritmo impredecible, lo que provoca la medida accidental y el correspondiente colapso de su estado. Gracias al sistema de control realimentado, basado en una medida débil continua del estado del qubit y la aplicación adecuada de fotones de microondas a mayor frecuencia, se puede conseguir que el qubit resuene con el reloj y mantenga su estado por un tiempo casi indefinido. Obviamente, la eficiencia del control no es del 100% y los experimentos solo han alcanzado el éxito en un 50% de los casos.
El qubit utilizado en este experimento se denomina transmón. A muy baja temperatura este qubit superconductor presenta solo dos estados cuánticos, el fundamental y el primer estado excitado.

Dentro de la cavidad de microondas, el qubit puede entrar en resonancia con un campo externo aplicado, apareciendo a la salida de la cavidad las llamadas oscilaciones de Rabi, que pueden ser utilizadas para realizar una medida débil del estado del qubit. Esta salida (OUT) de la cavidad es enviada a una serie de amplificadores que se utilizan como entrada del sistema de control realimentado. Para la actuación sobre el qubit se utilizan fotones de alta frecuencia que son introducidos en la cavidad resonante uno a uno por la entrada (IN). La aplicación adecuada de estos pulsos permiten salvar al qubit de la decoherencia, manteniendo su estado de forma prácticamente indefinida. Este hecho se ha demostrado gracias a las mismas oscilaciones de Rabi. El acuerdo entre las medidas experimentales y las predicciones teóricas (obtenidas mediante simulación numérica) es excelente.
Este esquema de control activo de la decoherencia cuántica podría permitir mantener el qubit en su estado durante un tiempo casi indefinido. Obviamente, no basta con tener un qubit para lograr un computador cuántico, además hay que entrelazar varios qubits. Se afirma que la tecnología que se ha utilizado se puede extender a un registro de varios qubits entrelazados.
En su caso, el control activo podría ser una alternativa práctica a las técnicas de corrección de errores, hasta ahora la única manera de combatir la decoherencia, aunque a futuro podrián haber otras predicciones.

Hacer predicciones es muy complicado, especialmente si son sobre el futuro  Niels Bohr

"End of transmission"