Los criterios de DiVincenzo son condiciones necesarias para construir una computadora cuántica , condiciones propuestas en 2000 por el físico teórico David P. DiVincenzo , [1] como las necesarias para construir dicha computadora; una computadora propuesta por primera vez por el matemático Yuri Manin , en 1980, [2] y el físico Richard Feynman , en 1982 [3] , como medio para simular eficientemente sistemas cuánticos , como por ejemplo para resolver el problema cuántico de muchos cuerpos .
Ha habido muchas propuestas sobre cómo construir una computadora cuántica, y todas ellas han tenido distintos grados de éxito frente a los diferentes desafíos que plantea la construcción de dispositivos cuánticos. Algunas de estas propuestas implican el uso de qubits superconductores , iones atrapados , resonancia magnética nuclear en estado líquido y sólido o estados de cúmulos ópticos , todos los cuales muestran buenas perspectivas pero también tienen problemas que impiden su implementación práctica.
Los criterios de DiVincenzo constan de siete condiciones que debe satisfacer una configuración experimental para implementar con éxito algoritmos cuánticos como el algoritmo de búsqueda de Grover o la factorización de Shor . Las primeras cinco condiciones se refieren a la propia computación cuántica. Dos condiciones adicionales se refieren a la implementación de la comunicación cuántica , como la utilizada en la distribución de claves cuánticas . Se puede demostrar que los criterios de DiVincenzo se satisfacen con una computadora clásica. Comparar la capacidad de los regímenes clásico y cuántico para satisfacer los criterios resalta tanto las complicaciones que surgen al tratar con sistemas cuánticos como la fuente de la aceleración cuántica .
Según el criterio de DiVincenzo, construir un ordenador cuántico requiere que la configuración experimental cumpla siete condiciones. Los primeros cinco son necesarios para la computación cuántica:
Los dos restantes son necesarios para la comunicación cuántica :
DiVincenzo propuso sus criterios después de muchos intentos de construir una computadora cuántica. A continuación se describe por qué estas declaraciones son importantes y se presentan ejemplos.
La mayoría de los modelos de computación cuántica requieren el uso de qubits. En mecánica cuántica, un qubit se define como un sistema de 2 niveles con cierta brecha de energía. A veces esto puede resultar difícil de implementar físicamente, por lo que nos centramos en una transición particular de niveles atómicos. Cualquiera que sea el sistema que elijamos, requerimos que el sistema permanezca casi siempre en el subespacio de estos dos niveles y, al hacerlo, podemos decir que es un qubit bien caracterizado. Un ejemplo de sistema que no está bien caracterizado serían dos puntos cuánticos de un electrón , con pozos de potencial ocupados cada uno por un único electrón en uno u otro pozo , lo que se caracteriza propiamente como un solo qubit. Sin embargo, al considerar un estado como , dicho sistema correspondería a un estado de dos qubits.
Con la tecnología actual, se puede crear un sistema que tenga un qubit bien caracterizado, pero es un desafío crear un sistema que tenga un número arbitrario de qubits bien caracterizados. Actualmente, uno de los mayores problemas que enfrentamos es que necesitamos configuraciones experimentales exponencialmente más grandes para acomodar una mayor cantidad de qubits. La computadora cuántica es capaz de lograr aceleraciones exponenciales en el cálculo de algoritmos clásicos para la factorización prima de números; pero si esto requiere una configuración exponencialmente grande, entonces nuestra ventaja se pierde. En el caso del uso de resonancia magnética nuclear (RMN) en estado líquido, se descubrió que el aumento del tamaño macroscópico conducía a la inicialización del sistema que dejaba los qubits computacionales en un estado altamente mezclado . [4] A pesar de esto, se encontró un modelo de cálculo que todavía podría utilizar estos estados mixtos para el cálculo, pero cuanto más mezclados son estos estados, más débil es la señal de inducción correspondiente a una medición cuántica. Si esta señal está por debajo del umbral de ruido, una solución es aumentar el tamaño de la muestra para aumentar la intensidad de la señal; y esta es la fuente de la falta de escalabilidad de la RMN en estado líquido como medio para la computación cuántica. Se podría decir que a medida que aumenta el número de qubits computacionales, se vuelven menos caracterizados hasta que se alcanza un umbral en el que ya no son útiles.
Todos los modelos de computación cuántica y clásica se basan en realizar operaciones sobre estados mantenidos por qubits o bits y medir y reportar un resultado, procedimiento que depende del estado inicial del sistema. En particular, la naturaleza unitaria de la mecánica cuántica hace que la inicialización de los qubits sea extremadamente importante. En muchos casos, la inicialización se logra dejando que el sistema se recozca hasta el estado fundamental. Esto es de particular importancia cuando se considera la corrección de errores cuánticos , un procedimiento para realizar procesos cuánticos que son robustos contra ciertos tipos de ruido y que requieren una gran cantidad de qubits recién inicializados, lo que impone restricciones sobre la velocidad que puede ser la inicialización.
Un ejemplo de recocido se describe en un artículo de 2005 de Petta y otros, donde se prepara un par de electrones de Bell en puntos cuánticos. Este procedimiento se basa en T 1 para templar el sistema, y el artículo se centra en medir el tiempo de relajación T 2 del sistema de puntos cuánticos y da una idea de las escalas de tiempo implicadas (milisegundos), lo que sería un obstáculo fundamental, dado que entonces el tiempo de decoherencia es más corto que el tiempo de inicialización. [5] Se han desarrollado enfoques alternativos (que generalmente implican bombeo óptico [6] ) para reducir el tiempo de inicialización y mejorar la fidelidad del procedimiento.
La decoherencia es un problema que se experimenta en grandes sistemas de computación cuántica macroscópica. Los recursos cuánticos utilizados por los modelos de computación cuántica ( superposición o entrelazamiento ) son rápidamente destruidos por la decoherencia. Se desean tiempos de decoherencia largos, mucho más largos que el tiempo de puerta promedio , de modo que la decoherencia pueda combatirse con corrección de errores o desacoplamiento dinámico . En la RMN de estado sólido que utiliza centros de nitrógeno vacante , el electrón orbital experimenta tiempos de decoherencia cortos, lo que hace que los cálculos sean problemáticos; la solución propuesta ha sido codificar el qubit en el espín nuclear del átomo de nitrógeno, aumentando así el tiempo de decoherencia. En otros sistemas, como el punto cuántico, los problemas con fuertes efectos ambientales limitan el tiempo de decoherencia T 2 . Los sistemas que pueden manipularse rápidamente (a través de interacciones fuertes) tienden a experimentar decoherencia a través de estas mismas interacciones fuertes, por lo que existe un equilibrio entre la capacidad de implementar el control y una mayor decoherencia.
Tanto en la computación clásica como en la cuántica, los algoritmos que podemos calcular están restringidos por la cantidad de puertas que podemos implementar. En el caso de la computación cuántica, se puede construir una computadora cuántica universal (una máquina cuántica de Turing ) utilizando un conjunto muy pequeño de puertas de 1 y 2 qubits. Cualquier configuración experimental que logre tener qubits bien caracterizados; inicialización rápida y fiel; y los tiempos de decoherencia largos también deben ser capaces de influir en el hamiltoniano (energía total) del sistema, para efectuar cambios coherentes capaces de implementar un conjunto universal de puertas . No siempre es necesaria una implementación perfecta de las puertas, ya que se pueden crear secuencias de puertas que sean más robustas frente a ciertos modelos de ruido sistemáticos y aleatorios. [7] La RMN en estado líquido fue una de las primeras configuraciones capaces de implementar un conjunto universal de puertas, mediante el uso de sincronización precisa y pulsos de campo magnético. Sin embargo, como se mencionó anteriormente, este sistema no era escalable.
Para cualquier proceso que modifique los estados cuánticos de los qubits, la medición final de esos estados es de fundamental importancia a la hora de realizar cálculos. Si nuestro sistema permite mediciones proyectivas no destructivas, entonces, en principio, esto se puede utilizar para la preparación de estados. La medición es la base de todos los algoritmos cuánticos, especialmente en conceptos como el de teletransportación cuántica . Las técnicas de medición que no son 100 % eficientes suelen repetirse para aumentar la tasa de éxito. Se encuentran ejemplos de dispositivos de medición confiables en sistemas ópticos donde los detectores homodinos han llegado al punto de contar de manera confiable cuántos fotones han pasado a través de la sección transversal de detección. Más desafiante es la medición de puntos cuánticos, donde la brecha de energía entre y (el estado singlete ) se utiliza para medir los espines relativos de los dos electrones. [5]
La interconversión y la transmisión son necesarias cuando se consideran protocolos de comunicación cuántica, como la distribución de claves cuánticas, que implican el intercambio de estados cuánticos coherentes o qubits entrelazados (por ejemplo, el protocolo BB84 ). Al crear pares de qubits entrelazados en configuraciones experimentales, estos qubits suelen ser "estacionarios" y no se pueden mover del laboratorio. Si estos qubits pueden enviarse como qubits voladores, por ejemplo codificados en la polarización de un fotón, entonces se puede considerar enviar fotones entrelazados a un tercero y hacer que extraiga esa información, dejando dos qubits estacionarios entrelazados en dos ubicaciones diferentes. La capacidad de transmitir el qubit volador sin decoherencia es un problema importante. Actualmente, en el Instituto de Computación Cuántica se están intentando producir un par de fotones entrelazados y transmitir uno de los fotones a otra parte del mundo reflejándolo en un satélite. El principal problema ahora es la decoherencia que experimenta el fotón al interactuar con partículas en la atmósfera. Asimismo, se han realizado algunos intentos de utilizar fibras ópticas, aunque la atenuación de la señal ha impedido que esto sea una realidad.
