Las computadoras cuánticas fueron propuestas por primera vez por Richard Feynman y originalmente surgieron de la simulación de fenómenos físicos. Se puede encontrar que al simular fenómenos cuánticos, la cantidad de datos se vuelve enorme debido al enorme espacio de Hilbert. El tiempo de cálculo necesario para una simulación completa se vuelve considerable, incluso irrealmente astronómico. Richard Feynman creía en ese momento que si se utilizaba una computadora compuesta de subsistemas para simular fenómenos cuánticos, el tiempo de computación podría reducirse considerablemente y así nació el concepto de computadora cuántica.
Las computadoras cuánticas, o por extensión, la ciencia de la información cuántica, estaban principalmente en el papel en la década de 1980. No fue hasta que Peter Shor propuso el algoritmo de factorización cuántica en 1994 que las computadoras cuánticas se convirtieron en un tema candente porque pueden romperse. el algoritmo de cifrado RSA ahora popular en bancos y redes. Más allá de la teoría, muchos académicos se centran en el uso de varios sistemas cuánticos para implementar computadoras cuánticas.
Los semiconductores registran y calculan información controlando circuitos integrados, mientras que los ordenadores cuánticos esperan controlar el estado de los átomos o moléculas pequeñas y registrar y calcular información.
En las décadas de 1960 y 1970, se descubrió que el consumo de energía provocaba que los chips de los ordenadores se calentaran, lo que afectaba en gran medida a la integración de los chips, limitando así la velocidad de funcionamiento del ordenador. Se encuentra que el consumo de energía proviene de operaciones irreversibles en el proceso de cálculo. Entonces, ¿el proceso de cálculo debe completarse mediante operaciones irreversibles? La respuesta a la pregunta es: todas las computadoras clásicas pueden encontrar una computadora reversible correspondiente sin comprometer la potencia informática. Dado que cada operación en la computadora se puede convertir en una operación reversible, se puede expresar mediante la transformación unitaria en mecánica cuántica. Las primeras computadoras cuánticas eran en realidad computadoras clásicas descritas en el lenguaje de la mecánica cuántica y no utilizaban las características esenciales de la mecánica cuántica, como la superposición y la coherencia de los estados cuánticos. En las computadoras clásicas, la unidad básica de información son los bits y los objetos de operación son varias secuencias de bits. De manera similar, en una computadora cuántica, la unidad de información básica es un qubit y el objeto de operación es una secuencia de qubits. La diferencia es que la secuencia de qubits no solo puede estar en un estado de superposición de varios estados ortogonales, sino también en un estado entrelazado. Estos estados cuánticos especiales no sólo brindan la posibilidad de computación cuántica paralela, sino que también aportan muchas propiedades maravillosas. A diferencia de las computadoras clásicas, las computadoras cuánticas pueden realizar transformaciones unitarias arbitrarias. Después de obtener el estado de salida, se pueden realizar mediciones para obtener resultados de cálculo. Por lo tanto, la computación cuántica amplía enormemente la computación clásica y puede considerarse como un tipo especial de computación cuántica en forma matemática. La computadora cuántica transforma cada componente superpuesto. Todas estas transformaciones se completan simultáneamente y se superponen según un cierto rango de probabilidad para dar el resultado. Este tipo de cálculo se llama computación cuántica paralela. Además de la computación paralela, otro uso importante de las computadoras cuánticas es la simulación de subsistemas, lo que está más allá de las capacidades de las computadoras clásicas.
En 1994, el experto de los Laboratorios Bell, Peter Shore, demostró que los ordenadores cuánticos pueden realizar operaciones logarítmicas mucho más rápido que los ordenadores tradicionales. Esto se debe a que, a diferencia de los semiconductores, que sólo pueden registrar 0 y 1, los cuánticos pueden representar múltiples estados al mismo tiempo. Si se compara un semiconductor con un único instrumento musical, una computadora cuántica es como una orquesta sinfónica que puede manejar muchas situaciones diferentes en una sola operación. Por tanto, una computadora cuántica de 40 bits puede resolver problemas que una computadora de 1024 bits tardó décadas en resolver.
Edita los conceptos básicos de los ordenadores cuánticos en esta sección.
La computadora cuántica, como su nombre indica, es una máquina que implementa la computación cuántica. Para comprender la computación cuántica, veamos primero la computación clásica. Una computadora clásica puede describirse físicamente como una máquina que transforma una secuencia de señal de entrada de acuerdo con un determinado algoritmo. El algoritmo es implementado por el circuito lógico interno de la computadora.
Una computadora clásica tiene las siguientes características:
Su estado de entrada y su estado de salida son ambos señales clásicas, descritas en el lenguaje de la mecánica cuántica, es decir, su estado de entrada y su estado de salida son ambos estados propios de una cantidad mecánica. . Si se ingresa la secuencia binaria 0110110, se utiliza notación cuántica, es decir, |01110>. Todos los estados de entrada son ortogonales entre sí. Es imposible alimentar a una computadora clásica con el siguiente estado de superposición: c 1 | 0110110 > C2 |
Cada paso de transformación en una computadora clásica evoluciona hacia un estado ortogonal, pero las transformaciones cuánticas generales no tienen esta propiedad. Por tanto, las transformaciones (o cálculos) en los ordenadores clásicos sólo corresponden a un conjunto especial.
En correspondencia con las dos limitaciones anteriores de las computadoras clásicas, se promueven respectivamente las computadoras cuánticas. La entrada de una computadora cuántica se describe mediante un sistema cuántico con niveles de energía limitados, como un sistema de dos niveles (llamado qubit). La transformación de la computadora cuántica (es decir, cálculo cuántico) incluye todas las transformaciones unitarias posibles. Por lo tanto, las características de las computadoras cuánticas son:
El estado de entrada y el estado de salida de las computadoras cuánticas son estados de superposición general, que generalmente no son ortogonales entre sí;
Transformaciones en las computadoras cuánticas son posibles La transformación unitaria de . Después de obtener el estado de salida, la computadora cuántica mide el estado de salida y proporciona el resultado del cálculo.
Se puede ver que la computación cuántica amplía enormemente la computación clásica y es un tipo especial de computación cuántica. Las características más esenciales de la computación cuántica son la superposición cuántica y la coherencia cuántica. La transformación de cada componente de superposición implementada por una computadora cuántica equivale a un cálculo clásico. Todos estos cálculos clásicos se completan al mismo tiempo, se superponen de acuerdo con una cierta amplitud de probabilidad y dan el resultado de salida de la computadora cuántica. Este tipo de cálculo se llama computación cuántica paralela.
Ya sea computación cuántica paralela o computación de simulación cuántica, esencialmente hacen uso de la coherencia cuántica. Desafortunadamente, es difícil mantener la coherencia cuántica en sistemas reales. En una computadora cuántica, los qubits no son un sistema aislado. Interactúan con el entorno externo, lo que lleva a la atenuación de la coherencia cuántica, que es la decoherencia (también conocida como "decoherencia"). Por lo tanto, para hacer realidad la computación cuántica, una cuestión central es superar la decoherencia. La codificación cuántica es la forma más eficaz de superar la decoherencia. Los principales esquemas de codificación cuántica son: códigos cuánticos de corrección de errores, códigos cuánticos para evitar errores y códigos cuánticos a prueba de errores. Los códigos de corrección de errores cuánticos son análogos a los códigos de corrección de errores clásicos y actualmente son los códigos más estudiados. Su ventaja es una amplia gama de aplicaciones, pero su desventaja es su baja eficiencia.
Hasta el momento no existe ningún ordenador cuántico real en el mundo. Sin embargo, muchos laboratorios de todo el mundo persiguen este sueño con gran entusiasmo. Hay muchas soluciones para lograr la computación cuántica, pero el problema es que es realmente difícil manipular estados cuánticos microscópicos en experimentos. Las soluciones propuestas actualmente utilizan principalmente la interacción entre átomos y cavidades ópticas, iones unidos a trampas frías, vibración de electrones o espín nuclear * * *, manipulación de puntos cuánticos, interferencia cuántica superconductora, etc. Es difícil decir qué solución es más prometedora, pero la solución de puntos cuánticos y la solución de unión superconductora de Josephson son más adecuadas para la integración y miniaturización. En el futuro, las soluciones existentes pueden volverse inútiles y, finalmente, surgirá un diseño completamente nuevo, basado en un nuevo material, tal como lo son los materiales semiconductores para las computadoras electrónicas. El propósito de investigar las computadoras cuánticas no es utilizarlas para reemplazar las computadoras existentes. Las computadoras cuánticas aportan una nueva dimensión al concepto de informática, que es lo que las distingue de otras computadoras como las ópticas y las biológicas. El papel de las computadoras cuánticas va mucho más allá de resolver algunos problemas que las computadoras clásicas no pueden resolver.
Los ordenadores cuánticos realizan una serie de operaciones a gran escala y de alta precisión mediante división y reparación cuánticas. Su rendimiento informático de punto flotante no tiene comparación con las CPU de computadoras domésticas comunes. El modo de computación a gran escala de las computadoras cuánticas es en realidad similar al programa de procesamiento por lotes de las computadoras comunes. En pocas palabras, su forma de funcionamiento es realizar reparaciones cuánticas de alta velocidad a través de una gran cantidad de divisiones cuánticas, pero su precisión y velocidad están fuera del alcance de las computadoras comunes, por lo que el costo es bastante asombroso. En la actualidad, la única computadora cuántica todavía se encuentra en Silicon Valley, la ciudad natal de Microsoft. Todavía se encuentra en la etapa experimental y llevará algún tiempo ponerla en uso. Por supuesto, las computadoras cuánticas no están hechas para que juguemos videojuegos, ya que son como cortar papel con una cortadora láser.
Sus principales usos son, por ejemplo, medir las coordenadas precisas de estrellas, calcular rápidamente el volumen de figuras tridimensionales irregulares, controlar con precisión robots o inteligencia artificial, y otras tareas que requieren flotaciones a gran escala, alta precisión y alta velocidad. operaciones puntuales. Detrás de esta serie de operaciones difíciles se esconde un consumo de energía terrible, una vida útil corta y un calor terrible.
Suponiendo que 1 tonelada de uranio-235 puede proporcionar 70 millones de vatios de energía a través de un motor nuclear durante 1 día, pero esta energía se consumirá en sólo 10 días, esta es la estimación más conservadora; Una computadora cuántica funciona unas 4 horas al día y tiene una vida útil de sólo 2 años. Si trabaja más de 6 horas, es posible que no pueda durar un año. Esta es también la estimación más conservadora. Suponiendo que la computadora cuántica alcanza los 70 grados Celsius por hora, el chasis alcanza los 200 grados en 2 horas y el radiador se derrite en 6 horas, ¡esta sigue siendo la estimación más conservadora!
Desde esta perspectiva, los ordenadores cuánticos de alta energía y corta vida probablemente todavía estén muy lejos de nuestras vidas. ¡Esperemos y veamos la luz del futuro! ~
Los científicos han descubierto que el ácido desoxirribonucleico (ADN) tiene la característica de que puede transportar el material genético que poseen varias células de una gran cantidad de organismos. Matemáticos, biólogos, químicos e informáticos se han inspirado en esto y ahora colaboran para desarrollar los ordenadores de ADN del futuro. El principio de funcionamiento de esta computadora de ADN se basa en reacciones químicas instantáneas. A través de la interacción con enzimas, el proceso de reacción se codifica con moléculas y se utiliza una nueva forma de codificación de ADN para responder preguntas. En 1995, se informó por primera vez que los científicos habían logrado un gran avance en la resolución de problemas matemáticos "programando" cadenas de ADN. En comparación con las computadoras comunes, la computadora DNA tiene la ventaja de ser de tamaño pequeño, pero puede almacenar más información que cualquier computadora actual. El espacio que utiliza para almacenar información es sólo unos pocos billones de veces mayor que el de una computadora normal. Su información se puede almacenar en billones de cadenas de ADN. Una computadora de ADN tardaría sólo unos días en hacer todo lo que cualquier computadora ha hecho hasta ahora. Además, consume sólo una milmillonésima parte de la energía de un ordenador normal. El poder de las computadoras de ADN es que cada hebra es un microprocesador por derecho propio. Los científicos pueden disponer 10 mil millones de cadenas en 1000 gramos de agua, y cada cadena se puede calcular de forma independiente. Esto significa que la computadora de ADN puede "probar" una gran cantidad de posibles soluciones simultáneamente. Una computadora electrónica debe calcular cada solución de principio a fin hasta que se pruebe la siguiente solución. Por tanto, las computadoras electrónicas y las computadoras de ADN son completamente diferentes. Una computadora electrónica puede completar muchas operaciones en una hora, pero solo puede completar una operación de instrucción a la vez. La computadora de ADN tarda aproximadamente una hora en realizar un cálculo, pero puede calcular 65.438 millones de instrucciones a la vez. El cerebro humano funciona en algún punto intermedio: aproximadamente 10 billones de instrucciones por hora. Las computadoras de ADN traducen números binarios en segmentos del código genético, cada uno de los cuales es una hebra de la famosa doble hélice. Los científicos esperan descomponer todos los patrones posibles de ADN y colocarlos en tubos de ensayo para crear hebras digitales complementarias, que proporcionarán la base para resolver cálculos más complejos.
La estructura específica del ADN de la ribozima de ADN se puede utilizar para construir varias puertas lógicas moleculares del ADN, sentando las bases para el desarrollo de computadoras de ADN.
La computación del ADN es un nuevo campo de investigación desarrollado combinando la informática y la biología molecular.
Según la Academia China de Ciencias, el investigador Fan Chunhai del Instituto de Física Aplicada de Shanghai, la Academia China de Ciencias, y el académico He Lin y el profesor Zhang Zhizhou del Centro Bio-X de la Universidad Jiao Tong de Shanghai (ahora profesor de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Tianjin) ha aplicado DNAzyme y ha desarrollado con éxito un nuevo tipo de "puerta lógica de ADN", sentando las bases para el desarrollo de computadoras de ADN. Los resultados de investigaciones relevantes se han publicado en la famosa revista química "Alemania Applied Chemistry".
Debido a la poderosa computación paralela y la capacidad de almacenamiento ultra alta de las moléculas de ADN, la computación del ADN podrá resolver algunos problemas complejos que son difíciles de completar para las computadoras electrónicas. También puede desempeñar un papel importante en ellos. campos como la administración de fármacos o el análisis genético in vivo. Aunque la computación del ADN tiene un enorme potencial en el futuro, todavía quedan muchas tecnologías de cuello de botella y problemas básicos que deben resolverse, entre los cuales las puertas lógicas basadas en moléculas de ADN son una base importante para la computación del ADN.
Las ribozimas de ADN son estructuras de ácidos nucleicos con actividad enzimática específica seleccionadas mediante evolución in vitro. En este estudio, se utilizó una ADNzima con actividad ADN hidrolasa. Esta ribozima con forma de cabeza de martillo cataliza la oxidación y escinde el sustrato de ADN con la ayuda de iones de cobre. Basándose en esta estructura de ribozima de ADN, se desarrolló una puerta lógica de ADN mediante un diseño modular. La señal de entrada puede ser detectada por biomoléculas específicas para generar una señal de salida, realizando así juicios lógicos como "sí" y "no", y puede combinarse en una puerta lógica compleja de tres entradas "Y (A, NO (B) , NOT (C)"). La combinación de "not" y "AND (A, NOT (B), NOT (C)" es un conjunto de símbolos de operación universal, por lo que teóricamente todas las operaciones de la máquina de Turing se pueden realizar mediante su combinación.
La nueva característica de este sistema de puerta lógica es que excluye la participación de nucleósidos de ARN en el diseño anterior de puertas lógicas de ADN y solo utiliza moléculas de ADN, evitando así la inestabilidad del sistema causada por los nucleósidos de ARN. Los resultados de investigaciones relacionadas se han publicado en 3. La famosa revista química "Chemistry aplicada alemana" (Angew. Chemistry. Editado por..., 2006, 45, 1759.).