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Un nuevo ordenador cuántico podría ampliar la factorización de números

Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés), Estados Unidos, y la Universidad de Innsbruck, en Austria, informan que han diseñado y construido un ordenador cuántico de cinco átomos en una trampa de iones. El equipo de científicos utiliza pulsos de láser para llevar a cabo el algoritmo de Shor en cada átomo, para factorizar correctamente el número 15.
El sistema, del que se informa en un artículo que se publica este jueves en 'Science', está diseñado de tal manera que se pueden añadir más átomos y láseres para construir un ordenador cuántico más grande y más rápido, capaz de factorirzar números mucho más grandes. Los resultados, dicen sus creadores, representan la primera aplicación escalable del algoritmo de Shor.
La mayoría de estudiantes de la escuela primaria saben de memoria que los factores primos o multiplicadores de 15 son 3 y 5, pero un número más grande, como 91, puede conllevar la necesidad de coger lápiz y papel. Un número aún mayor, por ejemplo con 232 dígitos, puede y tiene a los científicos tardado dos años en factorizar, utilizando cientos de ordenadores clásicos funcionando en paralelo.
Debido a que factorizar números grandes es extremadamente difícil, este "problema de factorizar" es la base de muchos sistemas de cifrado para proteger tarjetas de crédito, secretos de estado y otros datos confidenciales. Se cree que un solo ordenador cuántico puede descubrir fácilmente este problema, mediante el uso de cientos de átomos, esencialmente en paralelo, para factorizar de forma rápida grandes cantidades.
En 1994, Peter Shor, profesor de Matemáticas Aplicadas en MIT, se acercó con un algoritmo cuántico que calcula los factores primos de un número grande, mucho más eficiente que un ordenador clásico. Sin embargo, el éxito del algoritmo depende de un equipo con un gran número de bits cuánticos. Mientras otros han tratado de aplicar el algoritmo de Shor en diversos sistemas cuánticos, ninguno ha sido capaz de hacerlo con más de unos pocos bits cuánticos, de una manera expansible.
En la computación clásica, los números están representados por 0 y 1, y los cálculos se llevan a cabo de acuerdo con las "instrucciones" de un algoritmo que manipula estos 0 y 1 para transformar una entrada en una salida. En contraste, la computación cuántica se basa en unidades a escala atómica, o "qubits", que pueden ser al mismo tiempo 0 y 1, un estado conocido como superposición. En este estado, un único qubit puede llevar a cabo esencialmente dos corrientes separadas de cálculos en paralelo, haciendo cómputos de manera mucho más eficiente que un ordenador clásico.
En 2001, el profesor de Física y profesor de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación en el MIT Isaac Chuang, pionero en el campo de la computación cuántica, diseñó un ordenador cuántico basado en una molécula que podría mantenerse en superposición y manipular con resonancia magnética nuclear para factorizar el número 15. Los resultados, que fueron publicados en la revista 'Nature', representada la primera realización experimental del algoritmo de Shor. Pero el sistema no era expansible, ya que se hizo más difícil de controlar cuando se agregaron más átomos.
"Una vez que tenía demasiados átomos, era como un gran bosque: era muy difícil de controlar un átomo del siguiente --dice Chuang--. La dificultad es implementar [el algoritmo] en un sistema que esté lo suficientemente aislado para que pueda mantener la mecánica cuántica durante el tiempo suficiente que en realidad para que se pueda hacer todo el algoritmo".
Chuang y sus colegas ahora han llegado a un nuevo sistema cuántico extensible para factorizar números de manera eficiente. Mientras que por lo general se necesitan alrededor de 12 qubits para factorizar el número 15, encontraron una manera de reducirlo hasta cinco qubits, cada uno representado por un solo átomo.
Cada átomo se puede mantener en una superposición de dos estados de energía diferentes al mismo tiempo. Los investigadores utilizan pulsos de láser para llevar a cabo "puertas lógicas", o componentes del algoritmo de Shor, en cuatro de los cinco átomos. Los resultados se almacenaron, reenviaron, extrajeron y reciclaron a través del quinta átomo, realizando por ello el algoritmo de Shor en paralelo, con un menor número de qubits del que normalmente se requiere.
El equipo fue capaz de mantener el sistema cuántico estable manteniendo los átomos en una trampa de iones, donde quitaron un electrón de cada átomo y, a continuación, retuvieron a cabo cada átomo en su lugar con un campo eléctrico. "De esa manera, sabemos exactamente dónde está ese átomo en el espacio", explica Chuang.