¿Cuáles son los factores primos, o multiplicadores, para el número 15? La mayoría de los estudiantes de primaria conocen la respuesta - 3 y 5 - de memoria. Un número mayor, como 91, puede tomar papel y lápiz.un número mayor, digamos con 232 dígitos, puede y ha tomado a los científicos dos años para factorizar, utilizando cientos de computadoras clásicas que funcionan en paralelo.
Debido a que factorizar grandes números es muy difícil, este "problema de factorización" es la base de muchos esquemas de encriptación para proteger tarjetas de crédito, secretos de estado y otros datos confidenciales. Se cree que una sola computadora cuántica puede resolver este problema fácilmenteusando cientos de átomos, esencialmente en paralelo, para factorizar rápidamente grandes cantidades.
En 1994, Peter Shor, profesor de matemáticas aplicadas de Morss en el MIT, ideó un algoritmo cuántico que calcula los factores primos de un gran número, mucho más eficiente que una computadora clásica. Sin embargo, el éxito del algoritmo depende de una computadoracon una gran cantidad de bits cuánticos. Mientras que otros han intentado implementar el algoritmo de Shor en varios sistemas cuánticos, ninguno ha podido hacerlo con más de unos pocos bits cuánticos, de forma escalable.
Ahora, en un artículo publicado hoy en la revista ciencia , investigadores del MIT y la Universidad de Innsbruck en Austria informan que han diseñado y construido una computadora cuántica a partir de cinco átomos en una trampa de iones. La computadora usa pulsos láser para llevar a cabo el algoritmo de Shor en cada átomo, para factorizar correctamente el número15. El sistema está diseñado de tal manera que se pueden agregar más átomos y láseres para construir una computadora cuántica más grande y más rápida, capaz de factorizar números mucho más grandes. Los resultados, dicen, representan la primera implementación escalable del algoritmo de Shor.
"Mostramos que el algoritmo de Shor, el algoritmo cuántico más complejo conocido hasta la fecha, es realizable de una manera en la que, sí, todo lo que tiene que hacer es ir al laboratorio, aplicar más tecnología y debería poder hacer uncomputadora cuántica más grande ", dice Isaac Chuang, profesor de física y profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación en el MIT." Todavía podría costar una enorme cantidad de dinero construirlo: no va a construir una computadora cuántica y ponerlasu escritorio en cualquier momento pronto, pero ahora es mucho más un esfuerzo de ingeniería, y no una pregunta básica de física ".
Viendo a través del bosque cuántico
En computación clásica, los números están representados por 0s o 1s, y los cálculos se llevan a cabo de acuerdo con las "instrucciones" de un algoritmo, que manipulan estos 0s y 1s para transformar una entrada en una salida. En contraste, la computación cuántica se basa en atómicaunidades de escala, o "qubits", que pueden ser simultáneamente 0 y 1, un estado conocido como superposición. En este estado, un solo qubit esencialmente puede llevar a cabo dos flujos separados de cálculos en paralelo, haciendo que los cálculos sean mucho más eficientes queuna computadora clásica.
En 2001, Chuang, pionero en el campo de la computación cuántica, diseñó una computadora cuántica basada en una molécula que podría mantenerse en superposición y manipularse con resonancia magnética nuclear para factorizar el número 15. Los resultados, que se publicaron en Nature, representó la primera realización experimental del algoritmo de Shor. Pero el sistema no era escalable; se hizo más difícil controlar el sistema a medida que se agregaban más átomos.
"Una vez que tenías demasiados átomos, era como un gran bosque: era muy difícil controlar un átomo del siguiente", dice Chuang. "La dificultad es implementar [el algoritmo] en un sistema que sea suficientementeaislado que puede permanecer la mecánica cuántica durante el tiempo suficiente para que pueda tener la oportunidad de hacer todo el algoritmo "
"directamente escalable"
Chuang y sus colegas ahora han ideado un nuevo sistema cuántico escalable para factorizar números de manera eficiente. Si bien normalmente se necesitan alrededor de 12 qubits para factorizar el número 15, encontraron una manera de reducir el sistema a cinco qubits, cada uno representadopor un solo átomo. Cada átomo puede mantenerse en una superposición de dos estados de energía diferentes simultáneamente. Los investigadores usan pulsos láser para realizar "puertas lógicas", o componentes del algoritmo de Shor, en cuatro de los cinco átomos. Luego, los resultados se almacenan, reenviado, extraído y reciclado a través del quinto átomo, llevando a cabo el algoritmo de Shor en paralelo, con menos qubits de los que se requieren normalmente.
El equipo pudo mantener estable el sistema cuántico manteniendo los átomos en una trampa de iones, donde eliminaron un electrón de cada átomo, cargándolo así. Luego mantuvieron cada átomo en su lugar con un campo eléctrico.
"De esa manera, sabemos exactamente dónde está ese átomo en el espacio", explica Chuang. "Luego lo hacemos con otro átomo, a unas pocas micras de distancia - [una distancia] aproximadamente 100º del ancho de un cabello humano. Al tenervarios de estos átomos juntos, todavía pueden interactuar entre sí, porque están cargados. Esa interacción nos permite realizar puertas lógicas, lo que nos permite realizar las primitivas del algoritmo de factorización Shor. Las puertas que realizamos pueden funcionar en cualquierde este tipo de átomos, no importa cuán grande hagamos el sistema "
El equipo de Chuang primero elaboró el diseño cuántico en principio. Sus colegas de la Universidad de Innsbruck luego construyeron un aparato experimental basado en su metodología. Dirigieron el sistema cuántico para factorizar el número 15, el número más pequeño que puede demostrar de manera significativa Shor'salgoritmo. Sin ningún conocimiento previo de las respuestas, el sistema devolvió los factores correctos, con una confianza superior al 99 por ciento.
"En las generaciones futuras, prevemos que sea directamente escalable, una vez que el aparato pueda atrapar más átomos y más rayos láser puedan controlar los pulsos", dice Chuang. "No vemos ninguna razón física por la cual eso no estará en las tarjetas""
¿Qué significará todo esto para los esquemas de cifrado del futuro?
"Bueno, una cosa es que si usted es un estado nación, probablemente no quiera almacenar públicamente sus secretos usando encriptación que se basa en la factorización como un problema difícil de invertir", dice Chuang. "Porque cuando estoslas computadoras cuánticas comienzan a salir, podrás regresar y descifrar todos esos viejos secretos "
Esta investigación fue apoyada, en parte, por la Actividad del Proyecto de Investigación Avanzada de Inteligencia IARPA y el Centro MIT-Harvard para Átomos Ultrafríos, un Centro de la Frontera de Física de la Fundación Nacional de Ciencias.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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