Primero una introduccion a los conceptos y despues una pequeña aplicacion de los mismos, espero les guste lo escribi yo, en base a un ramo que tome sobre computacion cuantica y algunos textos.
Espero criticas, comentarios, preguntas no pq son muy dificiles jaja, cualquier aporte para ir mejorando es bienvenido
Episodio I
La amenaza quántica
Superposición Quántica
Imaginen la siguiente situación, van a ver a una amiga que no ven hace tiempo, pasar una tarde juntos, ver una película tomarse un café ponerse al día y conversar.
Bueno esos eran los planes que ustedes tenían la noche antes y que habían hecho por msn, sucede que tu amiga viene de pelear con el pololo hace una hora y tu eres su único consuelo. Cuando se juntan la ves algo rara y preguntas -que pasa?- (como es tu amiga y no tu polola hacer esta pregunta tiene grandes probabilidades de ser realmente contestada) ella rompe en lagrimas y empieza a relatarte las atrocidades que ha hecho el pololo, es tu amiga, esa mina toda raja, que siempre tiene un patán de pololo, y con la que tienes mil cosas en común pero que nunca serán pololos (por distintas razones no muy claras, simplemente No o porque es como tu hermana chica)
El monologo que te larga; en este caso tu solo te limitas a asentir, abrazarla y de vez en cuando echarle carbón al fuego porque odias al patán que no se la merece; se extiende por 2 horas, después de muchos dualettes y 2 sanhe nuss de los grandes, finaliza con esta gran frase, un clásico de las mujeres “…pero todavía lo quiero…”, eso mis queridos lectores en física es conocido como Superposición de estados. En este caso nuestra querida amiga quiere a un tipo que solo la hace sufrir, para nosotros es paradójico e incomprensible, pero tiene mucho sentido desde el punto de vista quántico donde las partículas sub-atómicas nos muestran que tienen distintos estados quánticos al mismo tiempo y observamos uno de ellos dependiendo del experimento que hagamos con ellas.
Schroedinger fue el primero en describir esta paradoja a través de su mítico gato, simplificadamente, el experimento mental -aclaro esto antes que salte algún “activista” pro liberación animal- consiste en que tienes un gato y un frasco de veneno, los pones dentro de una caja, el frasco de veneno se romperá en algún momento no determinado matando al gato, vuelves 1 hora mas tarde, y no sabes si el gato esta vivo o muerto hasta que abras la caja, mientras no abras la caja el gato estará vivo y muerto a la vez -recalco esto porque es lo que Schroedinger quería mostrar- siendo la observación la que determine cual es el estado del gato, durante todo el periodo antes de abrir la caja el gato se encuentra en este estado dual, vivo-muerto; distinto de un gato no-muerto, que todos sabemos es un gato zombie salido del cementerio de animales de maine.
En el caso de las partículas sub-atómicas hay muchos ejemplos de Superposición Quántica, el mas popular es el de la luz y su dualidad, que es una onda y una partícula a la vez, como podrán suponer estas dos condiciones son contradictorias incluso excluyentes, pero en el caso de los fotones estos se comportan como ondas o partículas dependiendo el experimento que hagamos, en pocas palabras, una onda es energía que se mueve, en cambio una partícula es masa que se mueve, evidentemente son cosas distintas; los que saben un poco del tema, adivinaran que menciono la dualidad, ya que esta una de las propiedades necesarias para hacer computos.
Para nuestra querida amiga si le preguntamos como esta, es evidente que esta triste porque peleo con el pololo, si en cambio le preguntamos si quiere a su pololo nos dira que si, es claro que estas situaciones no son fundamentalmente excluyentes como lo es en el caso de las particulas, donde ser onda y particula en su momento era de lo mas extraño, y fue controversial dentro de la fisica incluso alcanzando a la filosofia, personalmente yo entiendo perfectamente la dualidad onda-particula, lo que me sigue pareciendo de lo mas extraño que quieran a un patan.
Principio de Incertidumbre
Yo asumo que todos hemos pasado por la siguiente situación en algún momento de nuestras vidas, o quizás en varios, depende del caso.
Te quedas de ver con tu polola, novia, esposa, conviviente, en fin la relación que sea, y te das cuenta de una variación en su estado anímico, preocupado pensando que pudo pasarle algo grave, decides hacer la pregunta fatal - ¿Qué te pasa? – ella insiste que no le pasa nada en tono cortante, tu lo dejas pasar y para tratar de romper el hielo comienzas a contar alguna anécdota graciosa que te paso durante el día, como no hay risas después de la historia, mas preocupado aun, vuelves a preguntar , ¿Que te pasa? Y si no eres muy vivaracho, preguntarás hasta que te dice que no le pasa nada y que eres un insensible y un montón de cosas mas que salen a colación –en este caso nuestra querida polola imaginaria del ejemplo es muy corta de genio, eso si, no quita que exista- y tu te quedas ahí parado haciéndolas de chavo de ocho recibiendo todos los retos, por algo que paso sin querer queriendo.
¿Que demonios fue lo que paso? Bueno la explicación a este fenómeno viene acompañada de nuevo de la mecánica quántica, sucede amigo-mártir-lector que los estados anímicos de nuestra querida, y porque no decirlo en este caso, histérica, compañera imaginaria, son quánticos.
Sucede que por superposición quántica, nuestra compañera se encuentra en todos los estados anímicos con igual probabilidad para todos –es evidente que no esta alegre, pero de todas formas esto no tiene mucha importancia al final- , nosotros pobres y tristes observadores, deseando saber en cual de todos esos estados se encuentra, hacemos una medición, ¿como medimos? Pues preguntando -¿Qué te pasa?- es nuestro instrumento de medición, así como usamos una regla para medir distancias o una balanza para la masa; pero sucede que al preguntar intervenimos el sistema que queríamos medir, hasta que nos exploto en la cara el enojo de doña beia, cada vez que hicimos la infame pregunta; la probabilidad de que el estado anímico fuera la ira, aumentó, cuando finalmente obtuvimos un resultado concreto de nuestra medición, la ira, el estado anímico de la señorita kaboom por el cual habíamos hecho la pregunta en primer lugar, se ha perdido, sea cual haya sido, lo hemos modificado al hacer tantas preguntas, claro es probable que ya haya estado enojada en algún nivel que no era suficiente para gritarnos, pero de alguna forma provocamos que eso sucediera, de haber tomado otro rumbo la historia habría tenido un final feliz (en realidad no, siempre se enojan).
Ejemplos como el anterior donde el simple hecho de medir u observar, se dan a menudo en nuestra vida cotidiana, las personas actúan distinto frente a una cámara a cuando no lo están, o todos trabajamos mas eficientemente cuando esta el jefe o supervisor por ahí cerca de que cuando no lo esta, es claro que estos efectos no son necesariamente quánticos, pero si permiten graficar una realidad que en el mundo de la física sub-atómica pasa todos los días y a cada rato, el hecho de que el observar (entiéndase observar por hacer alguna medición) una situación esta se ve alterada.
Heinsenberg postulo esto a través de su “principio de incertidumbre” el que, en simples palabras dice, que no podemos saber la velocidad y posición de una partícula en un instante determinado con exactitud, mientras mas exactos somos al medir una variable, perdemos información sobre la otra, lo que además pone un limite a la precisión con que pueden ser medidas las variables en la mecánica quántica.
Esto se expresa matemáticamente de la siguiente forma
xp>h/4
La verdad esta interpretación no es del todo correcta, más bien el principio de incertidumbre actúa a nivel de las desviaciones Standard de las medidas que tomamos en el laboratorio, aunque la interpretación que nosotros le damos no deja de ser funcional, por lo demas hay varias formas de expresar la misma idea original de Heinsenberg.
Algunos pesimistas interpretaron es como “no podemos estar seguros de nada” corrieron en círculos tomándose la cabeza, y que la mecánica quántica era un caos, “no somos nada” exclamaban otros; ya que se perdía el determinismo de la física newtoniana, donde sabiendo posición y velocidad de un cuerpo en un momento dado podemos saberlo para todos los demás instantes posteriores y anteriores.
Es a raíz del principio de incertidumbre, que la física tuvo que cambiar su forma de hacer experimentos, ya no se puede saber con exactitud las variables a medir, y no porque el instrumento no sea lo suficientemente preciso, sino de una propiedad inherente del sistema que estamos midiendo. En consecuencia, ya que no tenemos una forma exacta de hacer las cosas es que se comienzan a utilizar las probabilidades para abordar todo lo relacionado a la mecánica quántica, ya no podemos trazar una trayectoria sino que trazamos todas las posibles trayectorias que tendrá una partícula; tomo como ejemplo la trayectoria ya que es con lo que estamos mas familiarizados en nuestra cotidianeidad; en este punto se vuelve curioso que algo como la mecánica quántica que en una primera aproximación parece hacernos creer que no podemos saber nada de ese micro mundo, se vuelva increíblemente exacta, y es que gracias a las probabilidades sabemos todos los posibles resultados con precisión matemática, como nunca antes se había tenido en la física.
Para el caso de nuestra iracunda señorita kaboom, usando esta distribución de probabilidad podemos predecir algunas respuestas que tendrá ante un estimulo nuestro, por ejemplo, si le llevas un chocolate puede ser bienvenido, pero también puede ser odiado con el argumento de que esta a dieta, si eres un chico listo y pones atención a todo lo que ella dice y tomaste en cuenta que estaba a dieta y compraste un chocolate diet, puede que apenas tengas tiempo de esquivarlo cuando te lo lancé por la cabeza diciendo que la encuentras gorda y por eso le compraste un chocolate diet; una forma de inclinar las probabilidades a nuestro favor es hacer dos regalos, el chocolate más flores, o una invitación al cine de modo que el chocolate seria técnicamente compartido, pero tu sabes que solo te comerás un cuadrito del mismo, dándole la tranquilidad de que no se comió el chocolate sola, sino que tu te comiste la mitad (no digas nada, ella es feliz con ello y sicológicamente solo se comió medio chocolate, por lo tanto engordo menos, lo que al final de cuentas igual aparecerá como una talla mas en el pantalón, y tu que comiste supuestamente la misma cantidad de medios chocolates que ella no engordaste por lo tanto te odiaran).
Bien volviendo a los regalos, sabemos que a más presentes es más probable que tengamos una buena recepción, incluso al final del día algo de acción xxx, pero cuidado, esto no puede darse de manera recursiva, como uno lo pensaría clásicamente, o sea mas regalos mejor recepción y así hasta tener 100% de precision de que seremos bien recibidos; a nuestro ejemplo anterior añadamos flores, o sea flores mas chocolates mas cine = excelente recepción, pero nosotros nos queremos asegurar, queremos tener la certeza de que tendremos la mejor recepción de todas, y añadimos una cadena de oro, y que tenemos, chocolate + cine + flores + cadena de oro, y pafff recibimos todo de vuelta por la cabeza, ¿que paso ahora? Olvidamos que sus estados anímicos son probabilisticos y a pesar de que la lógica nos inspiro a la suposición “más regalos = mejor recepción” como ella es quántica entonces la lógica es “muchos regalos = sospecha que hiciste algo malo y te pones el parche antes de la herida” ergo eres un desgraciado por lo que sea que hayas hecho o vas a hacer.
Llegado este punto, asumo que se dieron cuenta de algo, estos dos fenómenos ocurren al mismo tiempo, de hecho solo son expresiones de las propiedades que tienen las partículas subatómicas en distintos experimentos.
Entonces cabe preguntarse ¿como se hace computación en base a estos principios?
Así como yo aplique estos dos hechos físicos a la incomprensible forma de actuar de las mujeres, alguien se pregunto si era posible hacer algoritmos capaces de computar información en base a un sistema mecánico quántico.
Es lo que veremos en el proximo capitulo…
Fin primera parte...
Episodio II
El ataque de los qu-bits
Es complejo de explicar la matemática detrás del desarrollo de algoritmos computaciones, sin embargo todos conocemos un poco de algebra booleana y del sistema binario sobre el cual funcionan los computadores que usamos a diario, es a estas nociones básicas que le aplicaremos las reglas de la mecánica quántica que les presenté y podremos hacer un bosquejo de que es lo que sucede cuando la “información se hace quántica”.
Ahora recapitularemos en algunos hechos importantes, algo así como la lección que debe sacarse de lo anteriormente expuesto.
1) Los estados de una partícula están superpuestos, así como una mujer tiene dos sentimientos distintos hacia una misma persona o situación, una partícula tiene los dos valores para un mismo estado quántico.
2) No podemos medir con exactitud los valores de determinados estados de una partícula al mismo tiempo, sin embargo podemos calcular las probabilidades de obtener todos los posibles resultados.
Asi como no podemos saber el estado anímico de la Srta. kaboom, sin embargo podemos inclinar las probabilidades a nuestro favor en base a una combinación adecuada de regalos.
Bien nosotros sabemos que la base de la computación es el bit, los míticos 0 y 1, base del sistema binario, surge entonces una gran pregunta, ¿es posible construir un computador cuyo sistema binario obedezca los principios de la mecánica quántica? ¿existen un 0 y un 1 quánticos? De buenas a primeras uno podría pensar que esto no es posible, debido a la incertidumbre y la superposición, pero esto no es así, son de hecho estas dos propiedades las que hacen que la búsqueda de un computador quántico sea tan interesante.
Es en la superposición y la incertidumbre donde encontramos los más sorprendente que la computación quántica puede ofrecer, la “encriptación perfecta” y un algoritmo inherentemente paralelo, no más multicores!
Los bits tienen sus primos quánticos llamados qu-bits (la originalidad no es el fuerte de los físicos y matemáticos) los cuales como todo en el mundo quántico, cumple con las dos propiedades anteriormente descritas, la superposición de estados y la incertidumbre.
No entendieron? Pues vamos a verlo con un monito.
Pensemos en 2 bits, estos se verían más o menos así
0 1
Por su parte 2 qu-bits se verían así
01 01
Por incertidumbre no sabemos el estado de los qu-bits hasta que hagamos la medición, en este caso, hasta que le preguntemos a los qu-bits que información tienen guardada en ellos, a lo que nos responderán que la información que tienen guardada es
10
Y
01
¿Pueden imaginar de que va la cosa ahora? Recuerden nuestros qu-bits cumplen con la propiedad de la superposición de estados, a diferencia de nuestros añejos bits los modernos qu-bits ya no representan un solo estado, sino que los dos al mismo tiempo.
Asi como nuestra querida amiga, los qu-bits nos responderán con un 1 o un 0 dependiendo de la pregunta que hagamos, en este caso de la información que tengamos guardada en ellos, en nuestro ejemplo de 2 qu-bits podemos guardar información que usando bits hubieramos usado 4, esta propiedad de los qu-bits es conocida como “codificacion superdensa”
Bueno desde este punto tenemos que empezar a usar la imaginación, ya ven lo que pasa en dos bits, si ahora tenemos un qu-byte
01 01 01 01 01 01 01 01
Si hacemos el calculo tenemos 2^8 combinaciones posibles, entonces en un solo qu-byte podemos escribir 256 bytes normales!!
Si son cortos de imaginación ustedes solo están pensando en la reducción que haríamos en almacenamiento, pero piensen en un procesador quántico, cuando un procesador quántico procesa 1 qu-bit, es como si procesara 2 bits, cuando procesa 1 qu-byte realmente procesa 256 bytes!, o sea el imaginario procesador quántico es inherentemente paralelo!! Si yo le pido calcular todos los valores de una función determinada a mi procesador quántico, este no tendrá que repetir el proceso una y otra vez para cada valor de la función, sino que de una sola pasada los calculara todos.
Por fin ahora nuestros nunca bien ponderados programadores, tienen un algoritmo que por si solo es paralelo, no tendrán que estar escribiendo kilómetros de código para paralelizar sus programas, sin embargo tendrán que hacer uno que otro curso de mecánica quántica y variable compleja, no todo podía ser bueno.
Ahora Imaginen que los valores de esa función son contraseñas… no me meteré en los tecnicismos matemáticos de la criptografía, pero básicamente esta se sostiene en el hecho que el tiempo de desencriptación es muy extenso, creo que todos hemos tratado de descomprimir un zip protegido y hemos dejado al pc varias horas tratando de romper la contraseña a fuerza bruta, o sea probando una a una cada posible contraseña, sin embargo un procesador quántico de una sola vez nos desencriptaría el archivo ya que puede calcular todas las contraseñas a la vez.
Evidentemente estamos ante un problema de seguridad tremendo, no hay contraseña segura por mas extensas que las hagamos, los tiempos de desencriptacion ya no son un problema
continuara....
Edit:
queda pendiente el Eepisodio III: la venganza de los bits
... Me asombró la claridad y simplicidad para explicar todo esto. Increible lo q puede llegar a ser la computación cuantica. A mi parecer en highly technical no tendría el alcance q merec 
se entiende la idea de que al ser a nivel cuantico estan todas las probabilidades incluidas, pero que me asegura que el resultado que obtenga sea el que necesito? es como ganarse el kino 
) pero que pasa si quieres medir una botella de agua con el mismo procedimiento? cual es el resultado? (pensando que en realidad no hay medidas parciales, son enteras o nulas)
