Cuando comenzamos con el Cómputo, Sistemas, Informática, como se denominaba anteriormente a lo que ahora conocemos como Tecnologías de la Información, sólo aquellos que habíamos tenido la audacia de enfrentarnos a una Commodore 64, una Apple IIe o ya definitivamente a una Computadora Personal o PC conocíamos y nos eran familiares términos como: Byte, Bit, CPU, Disco Flexible, Disco Duro, Monitor TTL, Monitor CGA, etc. ¿Redes? eso era algo para quienes trabajaban ya con "Mainframes" o con equipos de cómputo considerados de Ligas Mayores.
Sólo para entrar en contexto, mencionaremos algunos términos de los más básicos para un mejor entendimiento de el tema que en esta entrada nos ocupa: el Cómputo Cuántico.
Tereminología Básica del Cómputo Binario
Bit: Abreviatura de "Binary Digit" (dígito binario en inglés), es la unidad más básica de información en la computación y las comunicaciones digitales. Representa un estado de información que puede ser 0 o 1, es decir, dos posibles valores. En esencia, un bit es la forma más elemental de almacenar y procesar información en sistemas digitales.
Binario: Se refiere a un sistema numérico que utiliza dos símbolos, generalmente representados como 0 y 1, para representar información. Es el sistema de numeración fundamental en la computación y la electrónica digitales, donde los datos se representan mediante combinaciones de estos dos dígitos, conocidos como bits. Nosotros los Seres Humanos estamos acostumbrados a utilizar el sistema de numeración Decimal que utiliza diez dígitos o guarismos (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 y 9) para representar cantidades y el Alfabeto para armar palabras.
Byte: Unidad de medida de información digital que comúnmente consta (en su forma más básica) de 8 bits consecutivos. Cada bit en un byte puede tener un valor de 0 o 1, lo que significa que en un sistema informático con procesadores a 8 bits, un solo byte puede representar 256 (2^8) posibles valores. Esta capacidad para representar una amplia gama de valores hace que el byte sea una unidad básica significativa en la computación y la tecnología de la información. Hoy tenemos computadoras a 64 bits, que en notación decimal equivale a 18,446,744,073,709,551,616 posibles valores.
Procesador: Es un circuito integrado que en pocas palabras, es el componente principal de un ordenador y otros dispositivos informáticos, responsable de interpretar y ejecutar instrucciones y procesar datos. Es esencialmente el cerebro de la computadora, llevando a cabo operaciones aritméticas, lógicas, de control y de entrada/salida, permitiendo que el sistema operativo y las aplicaciones funcionen.
Durante mucho tiempo, desde los inicios del Cómputo como lo conocemos y hasta nuestros días, hemos utilizando Bits, Bytes y notación binaria.
¿Cuándo y cómo nace el Cómputo Cuántico?
El concepto de cómputo cuántico comenzó a tomar forma en la década de 1980, gracias a los trabajos pioneros de físicos y científicos teóricos.
David Deutsch fue quien en 1985 propuso el concepto del Qubit, la unidad básica de información cuántica, y demostró (en papel) cómo una computadora cuántica podría teóricamente realizar cálculos que serían imposibles o impracticables para una computadora clásica.
Es momento para comenzar a aprender y entender la
Tereminología Básica del Cómputo Cuántico
Tereminología Básica del Cómputo Cuántico
Cuántico(a): se refiere a lo relacionado con la Mecánica Cuántica, una rama fundamental de la física que estudia los fenómenos que ocurren en la escala de los átomos y las partículas subatómicas. La palabra "cuántico" proviene de "cuanto", que en este contexto significa la cantidad mínima de cualquier entidad física involucrada en una interacción.
Byte Cuántico: Este término NO está reconocido en la literatura científica o técnica relacionada con la computación cuántica o la física cuántica, al menos hasta la fecha en la que redactamos esta entrada. El concepto más cercano y relevante en computación cuántica sería, simplemente, un conjunto o registro de qubits que se utilizan juntos para realizar cálculos cuánticos. Sin embargo, la capacidad de procesamiento o la información que puede representarse con un conjunto de qubits no escala de manera simple o directamente comparable con la forma en que un byte escala la información en la computación clásica.
Procesador Cuántico: Es el corazón computacional de una computadora cuántica, diseñado para realizar cálculos mediante el aprovechamiento de las propiedades únicas de la mecánica cuántica, como la Superposición, el Entrelazamiento y la Interferencia Cuántica. Estos últimos tres términos son lo que precisamente le da su carácter de Cuántico a esta manera de hacer Cómputo. Aquí entonces una muy breve explicación de estos:
Superposición: Propiedad permite que los qubits existan en múltiples estados simultáneamente, aumentando drásticamente el potencial de procesamiento de información en comparación con los sistemas clásicos.
Entrelazamiento cuántico: Dos o más qubits pueden entrelazarse de tal manera que el estado de uno depende instantáneamente del estado del otro, sin importar la distancia que los separe. Esta propiedad es fundamental para la creación de estados cuánticos correlacionados y la ejecución de cálculos complejos a una velocidad sin precedentes.
Interferencia cuántica: Es un fenómeno que permite que las probabilidades asociadas con los estados de superposición de los qubits se combinen de manera constructiva o destructiva, facilitando el proceso de encontrar la solución correcta a un problema entre muchas posibilidades.
No profundizaremos más al respecto. Sin embargo, si Usted está interesado en "bucear" en el Cómputo Cuántico o definitivamente especializarse en éste, vale la pena entonces revisar la bibliografía y en su caso, cursar una Licenciatura, Maestría o Doctorado enocados en el tema.
¿Qué SÍ es y que NO es el Cómputo Cuántico?
Lo que SÍ es el cómputo cuántico:
Está basado en principios de la mecánica cuántica: Utiliza propiedades como la superposición y el entrelazamiento cuántico para realizar cálculos.
Utiliza qubits: A diferencia de los bits clásicos que están en un estado de 0 o 1, los qubits pueden estar en superposición de ambos estados simultáneamente.
Tiene el potencial para resolver ciertos problemas más eficientemente: En algunos casos, como la factorización de números grandes (algoritmo de Shor) o la simulación de sistemas cuánticos, el cómputo cuántico promete resolver problemas que son inmanejables para las computadoras clásicas.
Está aún en desarrollo: La tecnología está en sus etapas iniciales, con muchos desafíos técnicos y científicos por resolver antes de que pueda ser ampliamente implementada.
Representa un avance potencialmente revolucionario en nuestra capacidad para procesar información: Ciertamente es algo a lo que debemos poner atención, pero su desarrollo y aplicación práctica están aún en progreso, centrados en problemas específicos donde puede ofrecer una ventaja significativa sobre la computación clásica.
Lo que NO es el cómputo cuántico:
Definitivamente NO es un reemplazo directo de la computación clásica: El cómputo cuántico es altamente especializado y no está diseñado para realizar todas las tareas que una computadora clásica puede hacer, como procesamiento de textos o navegación web.
NO es infalible: Los sistemas cuánticos son susceptibles al error y al "ruido" cuántico, lo que puede afectar la precisión de los cálculos. La corrección de errores cuánticos es un campo de investigación activo.
NO está disponible comercialmente a gran escala: Aunque hay servicios de computación cuántica accesibles a través de la nube, la tecnología no está todavía al punto de ser utilizada en aplicaciones de consumo masivo o hardware de consumo.
NO es una solución para todos los problemas de computación: El cómputo cuántico tiene un gran potencial para ciertas clases de problemas, pero no es más rápido que las computadoras clásicas para todas las tareas computacionales.
NO es fácil de entender o implementar: Requiere conocimientos especializados de mecánica cuántica, ciencias de la computación cuántica y algoritmos cuánticos, lo que lo hace accesible principalmente para investigadores y desarrolladores especializados.
¿Qué personas son actualmente los más importantes e influyentes exponentes del Cómputo Cuántico?
Identificar a las personas más importantes e influyentes en el campo del cómputo cuántico puede ser subjetivo y puede variar según la perspectiva y los criterios utilizados. Sin embargo, aquí presentamos algunas personas que han tenido un impacto significativo en el avance y la promoción del cómputo cuántico:
David Deutsch: Físico teórico británico y pionero en la computación cuántica. Es conocido por su trabajo en los fundamentos de la mecánica cuántica y por acuñar el término "computadora cuántica universal".
Richard Feynman: Aunque no trabajó directamente en cómputo cuántico, Feynman fue uno de los primeros en proponer la idea de la simulación de sistemas físicos mediante computadoras cuánticas, lo que impulsó la investigación en este campo.
Serge Haroche y David Wineland: Ambos fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 2012 por sus experimentos pioneros que permitieron la observación y manipulación de sistemas cuánticos individuales, lo que allanó el camino para la computación cuántica.
Alain Aspect: Físico francés conocido por su trabajo en la verificación experimental de los fenómenos de la mecánica cuántica, incluido el entrelazamiento cuántico. Sus investigaciones han sido fundamentales para comprender y aprovechar los efectos cuánticos en el cómputo cuántico.
John Preskill: Físico teórico y profesor de Caltech que ha contribuido significativamente al desarrollo teórico del cómputo cuántico y la corrección de errores cuánticos. También es conocido por popularizar el concepto de "supremacía cuántica".
Scott Aaronson: Científico de la computación teórica conocido por sus contribuciones al estudio de la complejidad computacional cuántica y por su blog "Shtetl-Optimized", donde discute una amplia gama de temas relacionados con la computación cuántica.
Estas son solo algunas de las personas que han contribuido significativamente al campo del cómputo cuántico. Hay muchos otros investigadores, académicos, ingenieros y emprendedores que están trabajando en este campo y que también están dejando su huella en el avance de esta tecnología.
¿Qué liboros y/o guías básicas hay ya disponibles para el entendimiento y aprendizaje del Cómputo Cuántico?
Para aquellos interesados en adentrarse en el mundo del cómputo cuántico, existen varios libros y recursos recomendados que cubren desde conceptos básicos hasta aspectos más avanzados. Aquí compartimos una selección variada para diferentes niveles de profundidad y enfoques:
Introducción y Conceptos Básicos
"Quantum Computing for Everyone" por Chris Bernhardt
Este libro ofrece una introducción accesible al cómputo cuántico, ideal para lectores sin una profunda formación en matemáticas o física. Explica los conceptos fundamentales de una manera comprensible.
"Quantum Computing for the Very Curious" por Andy Matuschak y Michael Nielsen
Disponible en línea, este recurso utiliza un enfoque innovador para el aprendizaje, basado en la evidencia de la ciencia cognitiva. Es ideal para aquellos que están curiosos acerca de los principios fundamentales del cómputo cuántico.
Fundamentos Teóricos
"Quantum Computation and Quantum Information" por Michael A. Nielsen e Isaac L. Chuang
A menudo referido como "Mike & Ike", este libro es considerado el texto definitivo para el estudio serio del cómputo cuántico y la información cuántica. Aunque es más técnico, es extremadamente completo.
"Quantum Mechanics and Quantum Field Theory: A Mathematical Primer" por Jonathan Dimock
Este libro brinda una base sólida en mecánica cuántica y teoría cuántica de campos, necesaria para comprender en profundidad los fundamentos teóricos del cómputo cuántico.
Aplicación y Programación
"Programming Quantum Computers: Essential Algorithms and Code Samples" por Eric R. Johnston, Nic Harrigan, y Mercedes Gimeno-Segovia
Un recurso práctico para aquellos interesados en programar computadoras cuánticas. Ofrece ejemplos de código y explica los algoritmos esenciales para comenzar a desarrollar aplicaciones cuánticas.
"Learn Quantum Computing with Python and Q#" por Sarah C. Kaiser y Christopher Granade
Este libro es una introducción práctica al cómputo cuántico utilizando Python y Q#, un lenguaje de programación desarrollado por Microsoft para la computación cuántica. Es accesible para principiantes.
Recursos en Línea
IBM Quantum Experience
IBM ofrece recursos en línea y acceso a computadoras cuánticas reales a través de la nube. Su sitio web incluye tutoriales y guías para comenzar con la programación cuántica.
Quantum Country
Un recurso en línea creado por Michael Nielsen y Andy Matuschak, que utiliza un método de estudio basado en la repetición espaciada. Ideal para quienes prefieren un enfoque interactivo.
Estos recursos cubren una amplia gama de temas dentro del cómputo cuántico, desde los principios básicos hasta la programación cuántica y la teoría avanzada. Elegir el más adecuado dependerá de su nivel de conocimiento actual, sus intereses específicos y cómo prefiere Usted aprender.
¿Qué debe de incluír un programa de estudios para una carrera a nivel licenciatura enfocada al Cómputo Cuántico?
Un programa de estudios para una carrera a nivel licenciatura en cómputo cuántico debe proporcionar una base sólida en los principios fundamentales de la física cuántica, la teoría de la computación y las aplicaciones prácticas de la computación cuántica. Aquí hay una propuesta general de los cursos y áreas de estudio que podrían incluirse en un plan de estudios:
Materias Fundamentales:
Introducción a la Física Cuántica:
Estudio de los principios básicos de la mecánica cuántica, incluyendo la superposición, el entrelazamiento, la medición cuántica y los postulados fundamentales.
Matemáticas para la Física Cuántica:
Álgebra lineal, cálculo vectorial, ecuaciones diferenciales y otros conceptos matemáticos necesarios para comprender la física cuántica.
Teoría de la Computación:
Introducción a la teoría de la computación clásica, incluyendo algoritmos, estructuras de datos, complejidad computacional y lenguajes de programación.
Computación Cuántica Básica:
Principios y conceptos básicos de la computación cuántica, incluyendo qubits, puertas cuánticas, circuitos cuánticos y algoritmos cuánticos simples.
Materias Avanzadas:
Teoría Cuántica de la Información:
Estudio de la teoría de la información cuántica, incluyendo la codificación, la criptografía, la teleportación cuántica y la corrección de errores cuánticos.
Programación Cuántica:
Desarrollo de habilidades de programación para computadoras cuánticas, utilizando lenguajes de programación cuántica como Qiskit, Quipper o Microsoft Q#.
Aplicaciones Prácticas de la Computación Cuántica:
Exploración de aplicaciones específicas de la computación cuántica en áreas como la química cuántica, la optimización combinatoria, el aprendizaje automático cuántico y la simulación de sistemas físicos.
Proyectos y Prácticas:
Proyecto de Investigación en Computación Cuántica:
Desarrollo de un proyecto de investigación en un área específica de la computación cuántica, bajo la supervisión de un profesor o investigador.
Prácticas Profesionales:
Oportunidad de realizar prácticas profesionales en empresas o instituciones que trabajan en el campo de la computación cuántica, para adquirir experiencia práctica y aplicar los conocimientos teóricos.
Electivas Especializadas:
Temas Avanzados en Computación Cuántica:
Cursos electivos en áreas especializadas de la computación cuántica, como computación cuántica topológica, comunicación cuántica, algoritmos cuánticos avanzados, entre otros.
Tópicos Selectos en Física Cuántica:
Cursos electivos que profundizan en aspectos específicos de la física cuántica relacionados con la computación cuántica, como la teoría de la decoherencia, la teoría de la medida cuántica, entre otros.
Este plan de estudios proporcionaría a los estudiantes una comprensión integral de los principios teóricos y las aplicaciones prácticas de la computación cuántica, preparándolos para una variedad de carreras en investigación, desarrollo tecnológico, industria y academia. Es importante que el programa sea flexible y se adapte a los avances en este campo en constante evolución.
¿Qué universidades y/o Institutos Tecnológicos en México y América Latina ya están ofreciendo la carrera (a nivel licenciatura, maestría o doctorado) en Cómputo Cuántico?
El Cómputo Cuántico en México, América Latina y a nivel global se encontra principalmente en la fase de investigación y desarrollo, y es un tema de estudio en programas de posgrado relacionados con la física, las matemáticas aplicadas y la ingeniería. En México, específicamente, no hay programas de licenciatura, maestría o doctorado dedicados exclusivamente al cómputo cuántico, pero algunas universidades e instituciones ofrecen cursos, módulos específicos o líneas de investigación dentro de programas más amplios en física, matemáticas, ingeniería eléctrica o informática.
Las Universidades e Instituciones en México con enfoque en Cómputo Cuántico son:
Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM):
La UNAM, a través de sus facultades de Ciencias e Ingeniería y el Instituto de Física, ha estado involucrada en investigación relacionada con la física cuántica y sus aplicaciones. Podría ofrecer cursos o proyectos de investigación enfocados en el cómputo cuántico dentro de programas de posgrado en física o ingeniería.
Instituto Politécnico Nacional (IPN):
El IPN, mediante algunas de sus unidades académicas como la Escuela Superior de Física y Matemáticas (ESFM) o el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (CINVESTAV), realiza investigación en áreas relacionadas con la física cuántica y tecnologías emergentes, lo que podría incluir aspectos del cómputo cuántico.
Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Monterrey:
Conocido por su enfoque en innovación y tecnología, el Tecnológico de Monterrey ofrece programas de posgrado y proyectos de investigación en áreas tecnológicas avanzadas, lo que potencialmente incluye el cómputo cuántico.
Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (CINVESTAV):
Aunque es parte del IPN, el CINVESTAV merece una mención especial por su enfoque en la investigación avanzada. Ofrece programas de posgrado en física y áreas relacionadas, donde es posible que el cómputo cuántico sea un tema de investigación.
Centro de Investigación en Matemáticas (CIMAT):
El CIMAT es otro centro de investigación de excelencia en México con programas de posgrado en matemáticas aplicadas, donde podría abordarse el cómputo cuántico desde una perspectiva teórica.
Para los interesados en estudiar cómputo cuántico en México, es recomendable consultar directamente con las universidades y centros de investigación para obtener información actualizada sobre sus programas de estudio y proyectos de investigación. Además, es posible que haya iniciativas nuevas y colaboraciones internacionales que ofrezcan oportunidades adicionales en este campo. Dado que el cómputo cuántico es una disciplina emergente y altamente especializada, los interesados a menudo necesitan formarse en áreas fundamentales como la física cuántica o la informática teórica antes de especializarse en cómputo cuántico.
Las Universidades e Instituciones en América Latina con enfoque en Cómputo Cuántico son:
Brasil
Universidade de São Paulo (USP): Con programas sólidos en física e ingeniería, es probable que USP ofrezca cursos y proyectos de investigación relacionados con el cómputo cuántico.
Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA): Conocido por su excelencia en ingeniería y tecnología, ITA podría estar involucrado en investigación en cómputo cuántico.
Argentina
Universidad de Buenos Aires (UBA): A través de su Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, la UBA tiene una fuerte tradición en física y matemáticas, lo que puede incluir aspectos de cómputo cuántico.
Instituto Balseiro: Reconocido por su enfoque en ciencia y tecnología, podría tener iniciativas relacionadas con el cómputo cuántico.
Chile
Universidad de Chile: Su Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas es un centro líder en investigación en Chile, con posible involucramiento en cómputo cuántico.
Pontificia Universidad Católica de Chile (PUC): Con programas destacados en ingeniería y ciencias, la PUC podría ofrecer cursos o investigación en este campo.
Colombia
Universidad de los Andes: Con un enfoque fuerte en innovación, es probable que ofrezca cursos o investigación en áreas relacionadas con el cómputo cuántico.
Es importante notar que el campo del cómputo cuántico es altamente interdisciplinario y en rápida evolución, lo que significa que las instituciones pueden incorporar elementos de este campo en sus programas existentes de física, matemáticas, ingeniería, y ciencias de la computación sin necesariamente crear programas dedicados exclusivamente al cómputo cuántico. Para obtener información actualizada y específica, se recomienda contactar directamente a las universidades o revisar sus sitios web y catálogos de programas de estudio.
Conclusión
Toda esta información no debe ser considerada como una biblia o como una guía que deba seguirse al pie de la letra. Nuestra intención es y sigue siendo acercar información de temas de Tecnologías de la Información a quienes así les interese.
Hay que tener en cuenta en todo momento que el Cómputo Cuántico NO es un sustituto del Cómputo Binario o Cómputo Clásico, que cada uno cuenta con sus alcances y limitaciones y que definitivamente no son excluyentes.
¿Está Usted preparado para comenzar con su aventura en el Cómputo Cuántico?
Hay que tener en cuenta en todo momento que el Cómputo Cuántico NO es un sustituto del Cómputo Binario o Cómputo Clásico, que cada uno cuenta con sus alcances y limitaciones y que definitivamente no son excluyentes.
¿Está Usted preparado para comenzar con su aventura en el Cómputo Cuántico?
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