El documento describe el estado actual de la computación cuántica. Explica que la computación cuántica aprovecha las características de la mecánica cuántica como la superposición y el enredamiento para realizar cálculos con ventajas sobre los sistemas tradicionales. También discute los desafíos actuales como la decoherencia y la corrección de errores, así como posibles aplicaciones en criptografía, búsquedas y resolución de teoremas matemáticos. Finalmente, menciona que científicos han

1. 1
Estado del Arte de la Computación Cuántica
Libio Israel Calle Franco
lcalle@est.ups.edu.ec
Abstract—From incicio computer in the 1950s were large II. O RIGEN
equipment occupying large areas and they had many limitations
currently computed much smaller and versatile, since 2000 have La idea del computador cuántico se remonta en las décadas
raised new hypotheses to improve the functioning of quantum de 1970 y 1980 cuando Richard Feynman [10] del Califor-
computer algorithms from the qubits, composition and behavior. nia Institute of tecnology, Paul Benioff[4], [5] de Argonne
The quantum computation exploits the characteristics of the
Nacional Laboratory, David Deutsche [3] de la universidad
particles provided by quantum mechanics, especially the super-
position and entanglement, to perform calculations and processes de Oxford y Charles Bennett [6], del T.J. watson Researh
with certain advantages over traditional systems[9] . Center de IBM proponen el concepto de computación cuántica.
At present it has improved several aspects of the quantum Richard Feyman [11] muestra como un sistema cuántico
study where there are new challenges such as cryptography, puede ser utilzado para mejorar el rendimiento computacional
decoherence, superposition of states among others that are critical y este actuar como un simulador para procesos cuánticos
for achieving this computer.
probabilísticos de gran peso donde las simulaciones no son
Index Terms—Qubits, States Over lapping, Decoherence. eficientes para el almacenamiento probabilístico convencional.
Abstract—Desde el incicio de la computadora por los años 1950 Esta idea parecía irrealizable hasta que en 1994 Peter Shor
que eran equipos de gran tamaño que ocupaban grandes espacios [17] de AT&T Research propuso el primer algoritmo cuántico
y que tenian muchas limitaciones hasta las computados de la específicamente diseñado para factorizar grandes números.
actualidad mucho mas pequeñas y versatiles, desde el año 2000 se
han planteado nuevas hipotesis para mejorar el funcionamiento
Este algoritmo es caracterizado por:
del computador cuántico desde la algoritmia hasta los qubits su • Utilizar métodos de computación cuántica que envuelven
composición y comportamiento. principios de la mecánica cuántica, como el comportamiento
La Computación Cuántica aprovecha las características de de las ondas, interferencia y coherencia.
las partículas previstas por la mecánica cuántica, especialmente • Utilizar algoritmos clásicos para verificar que la solución
la superposición y el enmarañamiento, para ejecutar procesos
y realizar cálculos con ciertas ventajas respecto a los sistemas
candidata generada por los algoritmos cuánticos sea correcta.
tradicionales[9]. El éxito de éste algoritmo impulsó la búsqueda de un
En la actualidad se a mejorado varios aspectos en el estudio computador cuántico y en 1998 Chuang [14] demostró la
cuántico donde se encuentran nuevos retos como la criptografía, primera computadora cuántica de un qubit, y ya en 1999
decoherencia, superposición de estados entre otros que son de Grover [12]propone un algoritmo para hacer búsquedas en
suma importancia para el alcance de este ordenador.
base de datos utilizando 3 qubits.
Index Terms—Qubits, Superposición de Estados, Decoherencia. Existen dos algoritmos que permiten a los computadores
cuánticos manipular sistemas criptográficos que se encuentran
en una amplia área de investigación. El algoritmo de Shor y
de Grover. El algoritmo de Shor permite factorizar grandes
I. I NTRODUCCIÓN números en tiempo polinómico mientras que el algoritmo
Grover permite buscar en una base de datos desorganizada
Durante toda la existencia del ser humano a buscado crear con una velocidad cuadrática [15].
herramientas que fasiliten distintas actividades que se realizan
a diario mas en las ultimas decadas con el avance tecnologico
que dia a dia nos sigue sorprendiendo. III. C OMPUTACIÓN CUÁNTICA
La computadora para llegar hasta donde se encuentra en La comunidad científica dedicada a investigar tópicos en
este instantea tenido que pasar por muchas etapas evolutivas y el ámbito de la computación cuántica, ha logrado enormes
desarrollo partiendo desde la ENIAC la primera computadora avances teóricos, al demostrar que es posible reducir drásti-
hasta las mas actuales con prosesadores i7 y muchas capaci- camente los recursos computacionales requeridos en la eje-
dades que eran consideradas como sueños o ciencia ficcion cución de algoritmos. Algunos de esos algoritmos requieren
como por ejemplo las computadoras 3D con resolucion HD un inmenso poder de cómputo aún en las computadoras más
que pueden ser muy delgadas y versatiles. avanzadas de la
Las computadoras con el pasar del tiempo transcienden a actualidad. Algunos algoritmos matemáticos como la
un estado diferente un mundo miniaturizado, proyectándose búsqueda de los factores de números primos, algoritmos
a rincones donde no se rigen por la física clásica. Estos de manejo de información como la búsqueda en bases de
equipos con el avance tegnologico estan compuestos de mas datos no ordenadas; han sido teóricamente desarrollados con
transistores pero cada ves ocupan menos espacio llegando a mucho éxito, utilizando los fundamentos de la computación
ser reguidos por la fisica cuantica. cuántica[7].

2. 2
La teoría de la computación cuántica esta basada en las lógicos: sí ó no, 1 ó 0. Por ejemplo, en los computadores
interacciones del mundo atómico y en futuras implementa- digitales, estaría representado por el valor del voltaje que
ciones de las computadoras cuánticas. Estas aún están en adquieren las placas de un condensador. Así, 1 sería un valor
los laboratorios de investigación pero ya se tienen resultados de "a " volts, y 0 un valor de "b" volts. Pero un bit puede
alentadores, como el desarrollo de la computadora cuántica de también ser representado por dos diferentes polarizaciones de
cinco qubits desarrollado por Steffen et al[18] . la luz, o por dos estados electrónicos de un átomo. Ahora
la mecánica cuántica nos dice que si un bit puede estar en
IV. A SPECTOS DE LA MECÁNICA CUÁNTICA RELEVANTES cualquiera dos estados distinguibles, también puede estar en
PARA LA COMPUTACIÓN cualquier superposición coherente de ellos, y claro, estos son
más estados, que no tienen análogos clásicos, y en los cuales
A. La cuantización
un átomo representa ambos valores 0 y 1 simultáneamente (y
Significa que los valores que toman cantidades físicas este comportamiento es propio de los sistemas atómicos). Es
no varían de manera continua, sino que lo hacen de un a esta representación, que puede tomar los dos valores 0 ó 1
tamaño predeterminado a los que se conoce como cuantos. en proporciones arbitrarias, pero simultáneamente, a lo que se
Así, cualquier sistema con dos (o más) estados parecerá llama cubit ó unidad de información cuántica[2].
diseñado para representar 0’s y 1’s, esto es, para representar
información. Esta característica es la que hace posible a la
computación, tanto la cuántica como la clásica, ya que, sino
fuera por ella, los semiconductores y los circuitos integrados
no funcionarían. Aquí hay casi una contradicción: las com- VI. A RQUITECTURA DE UNA COMPUTADORA CUÁNTICA
putadoras actuales (a las que llamaremos clásicas o binarias)
requieren de fenómenos cuánticos que hagan funcionar sus
circuitos integrados para realizar los cálculos clásicamente[2]
Oskin et al[8] propone una arquitectura de una computa-
dora quántica que esta conformada por una ALU cuántica,
B. La superposición de estados cuánticos. memoria cuántica, y un planificador dinámico, tal como puede
Esto quiere decir que todo estado cuántico se puede de- observarse 1 La corrección de errores es un aspecto que debe
scribir como una suma o superposición de otros; también ser tomado muy en cuenta en el diseño de una arquitectura
significa que dados un cierto número de estados, una suma cuántica
cualquiera de ellos es otro estado admisible. Ésta y la cercana-
mente propiedad siguiente son las que hacen a las computa-
doras cuánticas muchísimo más poderosas que las clásicas[2].
C. La interferencia entre estados cuánticos. A. ALU cuántica
Significa que todo resultado de un proceso cuántico depende
de todas las posibles historias que pudieran producir el pro- La ALU cuántica tiene como funciones fundamentales la
ceso. Cuando un estado se forma sumando otros, es seguro ejecución de operaciones cuánticas y la corrección de er-
que ocurra interferencia entre éstos. El fenómeno puede usarse rores. La ALU prepara los datos cuánticos, antes de ejecutar
para aumentar o disminuir el efecto desde una propiedad cualquier compuerta lógica, aplicando una secuencia de trans-
preseleccionada. Esta propiedad y la anterior son las que hacen formaciones cuánticas básicas, que incluyen:
a las computadoras cuánticas muchísimo más poderosas que
las clásicas[2]. • Hadamard (raiz cuadrada, transformada de Fourier de 1
qubit),
D. El enredamiento. • I, Identidad (I, NOP cuántico), • X, NOT cuántico,
Quiere decir que dos sistemas pueden contener información • Z, cambia los signos de las amplitudes),
en común simplemente por haber interactuado en el pasado y a • Y = XZ,
pesar de que ya no lo hagan más. Sin embargo la información • rotación por p/4 (S),
en común no es accesible localmente a ninguno de los sistemas
por separado. Esta propiedad es la que hace posible a la • rotación por p/8 (T), y
criptografía cuántica[2]. • NOT controlado (CNOT).
La ALU aplica esta secuencia de operaciones elementales
V. D E LOS BITS A LOS CUBITS para la corrección de errores, indispensable en la computación
Sabemos que la información se representa en piezas disc- cuántica. Este procedimiento consume estados auxiliares adi-
retas, al igual que los niveles energéticos de los átomos. La cionales, para la verificación de paridad. La ALU hace uso
unidad básica de información es el bit. Desde un punto de de hardware especializado estándar, que provee estados el-
vista físico, un bit es un sistema con dos estados, pudiendo ser ementales estándares, para producir los estados auxiliares
separado en uno de estos estados, que representan dos valores adicionales[16].

3. 3
VII. D ESAFÍOS
No hay certeza si será posible obtener una computadora
cuantica funcional ni, en caso de conseguirlo, cuando ocurrirá.
Mientras los investigadores trabajan para solucionar diferentes
problemas. El medio físico: las computadoras clásicas utilizan
transmisores, capacitadotes y dispositivos ópticos para alma-
cenarlos bits de información. Pero como almacenar los qubits.
Lo que se usa es el punto cuántico (un electrón atrapado en una
jaula de átomos), diversos iones, átomos de cesio y algunas
Figure 2. Tele transportadora de código moléculas liquidas. Las interferencias: en teoría el número de
qubits que puede tener una computadora es infinito, pero en la
práctica, unos pocos qubits trabajando juntos empiezan a sufrir
interferencias (radiaciones, rayos cósmicos, etc.) Los errores:
los bits son categóricos. Un bit puede ser un “uno” o un “cero”.
Pero los qubits trabajan por probabilidades. Si el valor de un
qubits es del 50% o muy cercano se producirán errores que al
acumularse podrían hacer poco fiables los resultados.[1]
VIII. A PLICACIONES
A. Cálculos en paralelo:
Una de las mayores destrezas de las computadoras cuanticas
será su capacidad para hacer cantidades astronómicas de
cálculos en un único circuito[13].
Figure 1. FIGURA 1[16]
B. Seguridad:
B. Memoria cuántica La capacidad para encriptar datos de la computadora cuan-
tica dejará obsoletos a los sistemas actuales.[13]
Al igual que en las arquitecturas actuales en la arquitectura
cuántica, la memoria cuántica es un elemento arquitectural
muy importante. La memoria cuántica debe ser confiable, C. Teleportacion:
con el propósito de dotarla de tal característica Oskin et No confundirse con la tele transportación de la ciencia
al [16] incluyen una unidad especializada de “actualización” ficción. No hay trasporte de materia sino de energía. La
en cada banco de memoria, cuya representación pictórica se computadora cuántica podrá trasmitir el estado de un átomo a
puede apreciar en la 1. Una unidad especializada actualiza distancia.[13]
periódicamente los qubits lógicos individuales, ejecutando
algoritmos de detección y corrección de errores. D. Búsquedas:
C. Tele transportadora de código Reducirá muchísimo el tiempo en que se realizan las
búsquedas.[13]
La tele transportadora de có[16]digo desde la memoria
cuántica a la ALU, añade alguna funcionalidad adicional a
E. Comprobación de teoremas
la tele transportación cuántica convencional, proveyendo un
mecanismo general para simultáneamente ejecutar operaciones Algunos teoremas matemáticos son incomprobables por la
mientras transporta los datos cuánticos. cantidad de cálculos que requieren. La computadora cuantica
Este mecanismo se usa para la corrección de errores en podría resolverlos.[13]
el codificador de código origen y en el codificador de código
destino, como puede observarse en la 2. El emisor y el receptor IX. C IENTÍFICOS CONSTRUYEN COMPUTADORA CUÁNTICA
entonces ejecutan qubits lógicos equivalentes en la operación AL INTERIOR DE UN DIAMANTE
de tele transportación en cada terminal del par “enredado” Los diamantes poseen propiedades físicas que, por fortuna,
(entangled)[16]. los vuelven apropiados no solo para sortijas de compromiso
matrimonial, y así lo demuestra un desarrollo reciente real-
D. Planificador dinámico izado por un grupo multinacional de científicos, quienes han
Oskin et al proponen un procesador clásico de alto de- construido una computadora cuántica al interior de una de
sempeño como parte principal del planificador dinámico. Este estas piedras preciosas.
procesador ejecuta un algoritmo de planificación dinámico El equipo dio a conocer la viabilidad de computadoras
que toma operaciones cuánticas lógicas, intercaladas con con- cuánticas en estado sólido, las cuales, a diferencias de los
strucciones clásicas de control de flujo, y dinámicamente las primeros sistemas en estado gaseoso y líquido, podrían repre-
traduce en operaciones individuales de qubits físicos. sentar el futuro de la computación cuántica porque se puede

4. 4
aumentar su tamaño con mayor facilidad. Y si bien de mo- dejando de lado a las computadoras grandes y con pocas
mento estos dispositivos no pueden competir en velocidad con funciones y un no tan bueno rendimiento por conputadoras
las computadoras tradicionales, quizá con estos acercamientos pequeñas versatiles muy rapidas al momento de ejecutar
pueda conseguirse finalmente una máquina que combine las operaciones
dimensiones reducidas con una gran capacidad. El avance tegnologico cada ves nos va hacercando o intro-
duciendo en un mundo miñaturizado donde la fisica clasica
pierde la capacidad de analisis y entra en regimen la fisica
cuantica.
la computacion cuantica es un tema exelente de inves-
tigacion y desarrollo para fisicos matematicos electricos y
electronicos ya que esta en sus inicios y hay mucho por
descubrir y desarrollar
XI. AGRADECIMIENTOS
El agradecimiento esta dirigido hacia el Ing. Rene Avila,
docente de la Universidad Politécnica Salesiana y profesor
de la cátedra de Electrónica Analógica 2, a la misma que le
corresponde como trabajo este documento, el agradecimiento
se debe a que el tema que se trato en este documento ha sido
de gran interés por su importancia y por la relación que tiene
con la carrera que estudiamos, es importante que se fomente la
investigación de temas como estos por parte de los docentes.
R EFERENCES
[1] computadora cuantica. 2011.
[2] R. A. Alberto, H. N. A. Lopez, and R. V. J. Melara. Investigación de la
consecuencia del desarrollo de la computación cuántica en los sistemas
Figure 3. Equipo multinacional de científicos consigue construir una com- que utilizan criptografia asimétrica en el salvador. PhD thesis, 2003.
putadora cuántica al interior de un diamante, dando una primera demostración [3] A. Barenco, D. Deutsch, A. Ekert, and R. Jozsa. Conditional quantum
del enorme potencial de cálculo que en tan reducido tamaño pueden tener estos dynamics and logic gates. Phys. Rev. Lett., 74(20):4083 – 4086, 1995.
dispositivos [4] P. Benioff. Comment on" Dissipation in Computation". Phys. Rev. Lett.,
53(12):1203 – 1203, 1984.
[5] P. Benioff. Quantum Mechanical Hamiltonian Models of Computersa.
Por el momento los científicos de la Universidad del Sur Ann. N.Y. Acad. Sci., 480(1):475 – 486, 1986.
de California, la Universidad de Tecnología de Delft (Países [6] C. H. Bennett, G. Brassard, C. Crépeau, R. Jozsa, A. Peres, and W. K.
Wootters. Teleporting an unknown quantum state via dual classical and
Bajos), la Universidad de Iowa y la de California en Santa Einstein-Podolsky-Rosen channels. Phys. Rev. Lett., 70(13):1895, 1993.
Bárbara, han construido esta computadora diamantina que se [7] H. Caituiro-Monge and H. Caituiro. Arquitectura cuántica.
compone de dos bits cuánticos (llamados “qubits”) hechos de [8] H. Caituiro-Monge and H. Caituiro. Arquitectura cuántica, 2002.
[9] L. M. Díaz. Computación cuántica.
partículas subatómicas, los cuales, a diferencia de los bits [10] R. P. Feynman. Simulating physics with computers. International
binarios tradicionales que codifican únicamente el valor 0 journal of theoretical physics, 21(6):467 – 488, 1982.
o el valor 1, admiten ambos valores simultáneamente, una [11] R. P. Feynman. Quantum mechanical computers. Foundations of physics,
16(6):507 – 531, 1986.
capacidad del estado cuántico conocida como “superposición” [12] L. K. Grover. Quantum mechanics helps in searching for a needle in a
que se espera sea la base para convertir a las computadoras haystack. Phys. Rev. Lett., 79(2):325 – 328, 1997.
cuánticas en los dispositivos más veloces de cálculo. [13] IBM. ibm-y-sus-avances-en-la-computacion-cuantica. 2012.
[14] A. Narayanan. Quantum computing for beginners. In Evolutionary
En cuanto a la elección del material, los diamantes, esta Computation, 1999. CEC 99. Proceedings of the 1999 Congress on,
obedeció a que su estructura molecular previene contra la volume 3. IEEE, 1999.
“decoherencia”, una especie de “ruido” atómico que genera [15] M. A. Nielsen, I. Chuang, and L. K. Grover. Quantum computation and
quantum information. American Journal of Physics, 70:558, 2002.
retraso temporal en los cálculos realizados por los electrones. [16] M. Oskin, F. T. Chong, and I. L. Chuang. A practical architecture for
Los cálculos detrás de esta innovación computacional son reliable quantum computers. Computer, 35(1):79 – 87, 2002.
un tanto complejos, pero se puede decir que el gran atractivo [17] P. W. Shor. Polynomial-time algorithms for prime factorization and
discrete logarithms on a quantum computer. SIAM review, pages 303 –
de las computadoras cuánticas es que ante un escenario en el 332, 1999.
que un evento éxito se divide en varias probabilidades, llegará [18] M. Steffen, M. K. Lieven, I. L. Chuang, et al. Toward quantum
a este siempre en el primer intento. computation: A five-qubit quantum processor. Micro, IEEE, 21(2):24
– 34, 2001.
Se trata, en suma, de una primera demostración que augura [19] T. van der Sar, Z. H. Wang, M. S. Blok, H. Bernien, T. H. Taminiau,
ya la enorme capacidad de estos dispositivos.[19] D. M. Toyli, D. A. Lidar, D. D. Awschalom, R. Hanson, and V. V.
Dobrovitski. Decoherence-protected quantum gates for a hybrid solid-
state spin register. 2012.
X. C ONCLUSIONES
Las computadoras en la actualidad se aproxima cada ves
mas a la miñaturizacion de los elementos que la constituyen