Es lo Cotidiano

EL OCCIPITAL DE EINSTEIN (CIENCIA)

Computadoras Cuánticas I

Jesús Madrigal Melchor

Tachas 08
Tachas 08
Computadoras Cuánticas I

Hablemos de computadoras cuánticas, en una primera entrega, para profundizar un poco en la aplicación que mencionamos en el artículo de tachas 6, “IBM, átomos y cine”.  Lo he divido en dos partes dado que es importante dejar en claro conceptos que no son fenómenos cotidianos. Para lograr esto me di a la tarea de buscar algo que de manera sencilla explicara los fundamentos de los conceptos cuánticos ligados a la computación cuántica, que como iremos checando, difiere de la computación clásica en la forma en que manipula la información y las instrucciones.

La mecánica cuántica es la rama de la física que estudia los fenómenos de lo más pequeño; esto es, los fenómenos que suceden a escalas atómicas. Una de las contribuciones fundamentales es el comportamiento dual de los electrones: su comportamiento, ya sea como onda o partícula, dependiendo de su interacción. Su estudio y comprensión nos ha permitido desarrollar  tecnologías como el transistor, láseres, relojes ultraprecisos, microscopios de efecto túnel, imagen de resonancia magnética  y, claro, la computación y criptografía cuánticas, entre los más conocidos.  Los fundamentos de la mecánica cuántica se dan a principios del siglo 20 por físicos tales como Planck, Niels Bohr, W. Heisenberg, L. de Broglie, A. Compton, A. Einstein, E. Schrödinger, Born, John von Neumann, P. Dirac, E. Fermi, W. Pauli, Hilbert.

La pregunta ahora sería ¿cómo comprender la mecánica cuántica?, primero definamos qué es un cuanto. En física, un cuanto es la cantidad mínima de cualquier entidad física en una interacción. Además, tenemos la noción fundamental de que una propiedad física está cuantizada; significa esto que la propiedad física en cuestión  solo puede tomar ciertos valores discretos, sujetos a las reglas cuánticas o números cuánticos. Joel Taylor, realiza una analogía burda, pero interesante, para tratar de explicar los números cuánticos, en su trabajo publicado en Scientific American de septiembre de 2012. Citando:

Para entender esto, imaginemos que vamos a comprar jugos. Hay diferentes tipos de jugo en el estante, ¿pero qué los hace diferentes? Si tomamos una lata de jugo de naranja y una de arándano, podemos ver que algunos de los ingredientes son los mismos, pero algunos de ellos son diferentes. Estos diferentes ingredientes (o propiedades) distinguen al jugo de naranja del jugo de arándano. Los átomos en la tabla periódica son como los diferentes tipos de zumos. Cada átomo tiene un conjunto de ingredientes que llamamos números cuánticos.

El primer número cuántico es el nivel de energía. El nivel de energía puede ser pensado como el sabor del jugo (naranja o arándano). El segundo número cuántico es el momento angular. Este número sería como el concentrado o qué tan fuerte es el sabor. El tercer número cuántico es el número cuántico magnético. Este número determina la fuerza del segundo número. Sería lo que representan los ingredientes que determinan la concentración. El cuarto número cuántico es el número cuántico de espín. Este número determina el sabor del jugo. Mientras que los otros números son similares, el cuarto número es la diferencia entre los jugos. Sí, hay muchos más números cuánticos, pero estos son los cuatro básicos (los cuatro ingredientes básicos).

Éste es un símil muy burdo, sin embargo, nos presenta que cada propiedad global que puede tener un fenómeno está compuesto por diferentes números cuánticos, los cuales los hacen diferentes. Es importante mencionar, que esto es lo que nos permite explicar completamente la tabla periódica de Dimitri Mendeleev.

Para concluir esta primera parte de la computación cuántica, mencionamos que la diferencia entre las computadoras clásicas —las que ahora usamos— y las computadoras cuánticas es que las primeras usan bits para procesar, esto es, combinaciones de 1’s y 0’s, mientras que las computadoras cuánticas usan qbits, donde cada qbit es un estado cuántico del sistema. En la segunda parte iniciaremos directamente hablando de computadoras cuánticas.

jmadrigal.melchor@fisica.uaz.edu.mx

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