En pequeñas escalas, la materia física exhibe propiedades tanto de partículas como de ondas , y la computación cuántica aprovecha este comportamiento, específicamente la superposición y el entrelazamiento cuánticos , utilizando hardware especializado que respalda la preparación y manipulación de estados cuánticos .
La física clásica no puede explicar el funcionamiento de estos dispositivos cuánticos, y una computadora cuántica escalable podría realizar algunos cálculos exponencialmente más rápido (con respecto al escalamiento del tamaño de entrada) [2] que cualquier computadora "clásica" moderna . En particular, una computadora cuántica a gran escala podría romper los esquemas de cifrado ampliamente utilizados y ayudar a los físicos a realizar simulaciones físicas ; sin embargo, el estado actual de la tecnología es en gran medida experimental y poco práctico, con varios obstáculos para aplicaciones útiles. Además, las computadoras cuánticas escalables no son prometedoras para muchas tareas prácticas, y para muchas tareas importantes se ha demostrado que las aceleraciones cuánticas son imposibles.
La unidad básica de información en la computación cuántica es el qubit , similar al bit en la electrónica digital tradicional. A diferencia de un bit clásico, un qubit puede existir en una superposición de sus dos estados "básicos". Cuando se mide un qubit, el resultado es una salida probabilística de un bit clásico, por lo que las computadoras cuánticas en general no son deterministas. Si una computadora cuántica manipula el qubit de una manera particular, los efectos de interferencia de ondas pueden amplificar los resultados de medición deseados. El diseño de algoritmos cuánticos implica la creación de procedimientos que permitan a una computadora cuántica realizar cálculos de manera eficiente y rápida.
La ingeniería física de qubits de alta calidad ha demostrado ser un desafío. Si un qubit físico no está suficientemente aislado de su entorno, sufre decoherencia cuántica , introduciendo ruido en los cálculos. Paradójicamente, aislar perfectamente los qubits tampoco es deseable porque los cálculos cuánticos normalmente necesitan inicializar los qubits, realizar interacciones controladas de los qubits y medir los estados cuánticos resultantes. Cada una de esas operaciones introduce errores y sufre ruido, y esas imprecisiones se acumulan.
En principio, una computadora no cuántica (clásica) puede resolver los mismos problemas computacionales que una computadora cuántica, si se le da suficiente tiempo. La ventaja cuántica se presenta en forma de complejidad temporal en lugar de computabilidad , y la teoría de la complejidad cuántica muestra que algunos algoritmos cuánticos para tareas cuidadosamente seleccionadas requieren exponencialmente menos pasos computacionales que los algoritmos no cuánticos más conocidos. En teoría, estas tareas pueden resolverse en una computadora cuántica a gran escala, mientras que las computadoras clásicas no terminarían los cálculos en un período de tiempo razonable. Sin embargo, la aceleración cuántica no es universal ni siquiera típica en las tareas computacionales, ya que se ha demostrado que tareas básicas como la clasificación no permiten ninguna aceleración cuántica asintótica. Las afirmaciones de supremacía cuántica han llamado mucho la atención sobre la disciplina, pero se demuestran en tareas artificiales, mientras que los casos de uso práctico a corto plazo siguen siendo limitados.
Durante muchos años, los campos de la mecánica cuántica y la informática formaron comunidades académicas distintas. [3] La teoría cuántica moderna se desarrolló en la década de 1920 para explicar la dualidad onda-partícula observada a escalas atómicas, [4] y las computadoras digitales surgieron en las décadas siguientes para reemplazar a las computadoras humanas en los cálculos tediosos. [5] Ambas disciplinas tuvieron aplicaciones prácticas durante la Segunda Guerra Mundial ; Las computadoras desempeñaron un papel importante en la criptografía en tiempos de guerra , [6] y la física cuántica fue esencial para la física nuclear utilizada en el Proyecto Manhattan . [7]