Cúbit para niños
Datos para niños Unidades deInformación |
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, son posibles estados generales de tipo 
.Un cúbit o bit cuántico es la unidad básica de información en la computación cuántica. Es como el "bit" de las computadoras normales, pero con una diferencia muy importante. Mientras que un bit clásico solo puede ser 0 o 1, un cúbit puede ser 0, 1, o una combinación de ambos al mismo tiempo.
Esta capacidad especial de los cúbits se basa en las reglas de la mecánica cuántica, que es la ciencia que estudia el comportamiento de las partículas muy pequeñas. Gracias a esto, los cúbits pueden hacer cosas que los bits normales no pueden, lo que los hace muy útiles para crear computadoras mucho más potentes, llamadas computadoras cuánticas, y para desarrollar formas más seguras de enviar información, como la criptografía cuántica.
El concepto de cúbit es una idea abstracta. No se refiere a un objeto físico específico. Sin embargo, en la práctica, los científicos han logrado crear cúbits usando diferentes sistemas físicos. Algunos son muy grandes, como circuitos especiales hechos de materiales superconductores. Otros son muy pequeños, como iones (átomos con carga eléctrica) que se mantienen quietos con campos eléctricos.
Matemáticamente, un cúbit se puede describir como un punto en un espacio especial. Los dos estados básicos de un cúbit se escriben como 
y 
, que son como el 0 y el 1 de un bit normal. Pero lo más interesante es que un cúbit también puede estar en un estado de superposición cuántica. Esto significa que es una mezcla de y al mismo tiempo.
El término "cúbit" fue propuesto por Benjamin Schumacher. Él lo mencionó en un artículo donde explicaba cómo comprimir información cuántica. El nombre surgió como una broma por su parecido con la palabra "cubit" (codo, una antigua unidad de medida).
Contenido
¿Qué es un Cúbit y cómo funciona?
Los cúbits como unidades de información cuántica
La información que contiene un sistema físico no solo depende de su estado actual, sino de todos los estados posibles que podría tener. Por ejemplo, una imagen simple de una bola de billar puede contener diferente cantidad de información. Si solo nos importa si es la bola 1 o no, es 1 bit. Pero si es una de 16 bolas diferentes, entonces contiene 4 bits de información.
La información cuántica es la información que se guarda en el estado de un sistema cuántico. El cúbit es la forma más común de medir esta información. Cuando se juntan varios cúbits, forman un "registro cuántico". La teoría de la información cuántica es un campo de estudio que busca entender y usar esta información especial.
¿Cómo se diferencia un cúbit de un bit normal?
Hay varias diferencias clave entre un bit y un cúbit:
- Valores continuos: Un bit clásico solo puede ser 0 o 1. Un cúbit, en cambio, puede representar una gama de valores entre 0 y 1 debido a la superposición.
- Paralelismo cuántico: Esta es una de las características más poderosas. Un cúbit puede representar 0 y 1 al mismo tiempo. Si tienes varios cúbits, pueden representar muchas combinaciones a la vez. Por ejemplo, dos cúbits en superposición pueden representar 00, 01, 10 y 11 simultáneamente. Esto permite que las computadoras cuánticas realicen muchos cálculos a la vez, lo que las hace muy rápidas para ciertos problemas.
- Entrelazamiento cuántico: Esta es una propiedad muy extraña y fascinante de los cúbits. Cuando dos o más cúbits están entrelazados, sus estados están conectados de una manera especial. Si mides el estado de uno de ellos, instantáneamente sabes el estado del otro, sin importar qué tan lejos estén. Es como si estuvieran conectados por un hilo invisible.
Por ejemplo, si tienes dos cúbits entrelazados y uno está con una persona (Alicia) y el otro con otra (Bob), si Alicia mide su cúbit y obtiene un 0, Bob sabrá que su cúbit también es un 0, incluso si están a años luz de distancia. Esta propiedad es fundamental para la teleportación cuántica y otras aplicaciones.
En la computación cuántica, se usan "puertas lógicas cuánticas" para manipular los cúbits. Estas puertas son como las operaciones matemáticas que se hacen con los bits normales, pero adaptadas a las reglas cuánticas. Todas las puertas lógicas cuánticas son reversibles, lo que significa que puedes deshacer su acción.
Una puerta importante es la puerta Hadamard. Si un cúbit está en estado , esta puerta lo convierte en una superposición de y . Si está en , lo convierte en otra superposición.
¿Cómo se representa un cúbit?
Un cúbit se puede representar como una combinación de los estados básicos y :
Aquí, 
y 
son números que nos dicen la "probabilidad" de que el cúbit esté en el estado o cuando lo medimos. La suma de las probabilidades de encontrarlo en o siempre debe ser 1.
Cuando medimos un cúbit, su estado de superposición se "rompe" y el cúbit se decide por uno de los estados básicos, ya sea o . Esto significa que la medición cambia el estado del cúbit.
La Esfera de Bloch: un mapa del cúbit
Para entender mejor los estados de un cúbit, los científicos usan una herramienta visual llamada esfera de Bloch. Imagina una esfera. Cada punto en la superficie de esta esfera representa un posible estado de un cúbit. Los polos de la esfera representan los estados básicos y . Los puntos en el ecuador y en otras partes de la superficie representan los estados de superposición.
Esto nos ayuda a visualizar cómo un cúbit puede estar en una combinación de 0 y 1 al mismo tiempo, y cómo se puede manipular su estado.
Por ejemplo, si un cúbit se basa en la polarización de un fotón (la dirección en la que vibra la luz), los estados y podrían ser la polarización vertical y horizontal. Las polarizaciones diagonales o circulares serían estados de superposición en la esfera de Bloch.
¿Qué pasa con varios cúbits?
Cuando tenemos varios cúbits, su estado combinado se vuelve mucho más complejo. Un sistema de N cúbits puede representar una cantidad enorme de información. Por ejemplo, 4 cúbits pueden representar 2 elevado a la 4 (16) combinaciones diferentes al mismo tiempo.
Lo más interesante es que varios cúbits pueden estar entrelazados. Esto significa que sus estados no son independientes. La información de un cúbit entrelazado no está completa si solo lo miras a él; necesitas considerar a los otros cúbits con los que está entrelazado. El entrelazamiento es una propiedad muy importante que da a las computadoras cuánticas su gran poder.
¿Cómo se construyen los cúbits en la vida real?
Cualquier sistema cuántico que tenga dos niveles de energía bien definidos puede usarse como un cúbit. Hay muchas formas de intentar construir cúbits, y los científicos están investigando cuál es la mejor.
Cúbits en redes
Una forma de pensar en los cúbits en una red es como si una partícula muy pequeña, llamada bosón, estuviera atrapada en uno de dos "pozos" cercanos. Si está en el pozo de la izquierda, es un ; si está en el de la derecha, es un . Pero, como es cuántico, también puede estar en ambos pozos a la vez (superposición).
Sistemas con átomos, moléculas y luz
Iones o átomos atrapados
Los científicos pueden atrapar iones (átomos con carga) usando campos eléctricos y enfriarlos con láseres. Luego, usan el estado de energía más bajo del ion como y un estado de energía más alto como . Han logrado hacer operaciones básicas de computación con estos sistemas. El desafío es controlar muchos iones a la vez.
Espines nucleares
El "espín" es una propiedad cuántica de las partículas, como si giraran sobre sí mismas. Los espines de los núcleos de los átomos en una molécula pueden usarse como cúbits. Las técnicas de resonancia magnética nuclear (RMN), que se usan para estudiar la estructura de las moléculas, se han adaptado para manipular estos espines y realizar operaciones cuánticas. Aunque fue una de las primeras formas de demostrar los cúbits, escalar estos sistemas a muchos cúbits es complicado.
Cúbits en materiales sólidos
Puntos cuánticos
Los puntos cuánticos son estructuras muy pequeñas, hechas de materiales semiconductores, que pueden atrapar electrones. Se comportan como "átomos artificiales". Los científicos pueden controlar el espín de los electrones atrapados en estos puntos cuánticos para usarlos como cúbits. Ajustando voltajes, pueden controlar cómo interactúan los espines de los electrones en diferentes puntos cuánticos.
Uniones de Josephson
Las uniones de Josephson son conexiones especiales entre materiales superconductores. Los científicos han logrado crear cúbits usando las propiedades de estas uniones, como la dirección de las corrientes eléctricas que fluyen a través de ellas.
Defectos en diamantes
Algunos diamantes tienen pequeños "defectos" en su estructura, como un átomo de nitrógeno en lugar de carbono y un espacio vacío al lado. Estos defectos, llamados centros nitrógeno-vacante (NV), tienen un electrón con un espín que puede usarse como cúbit. Se ha demostrado que estos cúbits pueden interactuar entre sí y que pueden mantener su estado cuántico por un tiempo, lo que los hace interesantes para la memoria cuántica.
El ordenador de Kane
El ordenador cuántico de Kane es una idea propuesta en 1998 por Bruce Kane. Se basa en colocar átomos de fósforo en una red de silicio. Tanto los espines de los núcleos de los átomos como los espines de sus electrones se usarían para realizar cálculos cuánticos.
El primer ordenador cuántico comercial
En 2019, la empresa IBM presentó el IBM Q System One, que fue el primer ordenador cuántico comercial. Es una máquina impresionante que combina la computación cuántica con la tradicional para lograr un alto rendimiento.
Ver también
- Computación cuántica
- Simulador cuántico universal
- Cuanto
- Bit
Véase también
En inglés: Qubit Facts for Kids
