Las computadoras cuánticas son como un caleidoscopio: por qué metáforas inusuales ayudan a explicar la ciencia y la tecnología

La computación cuántica es como Forrest Gump‘s Una caja de chocolate: Nunca sabes lo que obtendrás. Los fenómenos cuánticos (el comportamiento de la materia y la energía a nivel atómico y subatómico) no están definidos, de una forma u otra. Son vagas nubes de posibilidades, o más exactamente, de probabilidades. Cuando alguien observa un sistema cuántico, pierde su cuanto y «colapsa» en un estado específico.

Los fenómenos cuánticos son misteriosos y, a menudo, contradictorios. Esto hace que la computación cuántica sea difícil de entender. La gente recurre naturalmente a lo familiar para intentar explicar lo desconocido, y en el caso de la computación cuántica, esto suele significar utilizar la computación binaria clásica como metáfora. Pero interpretar la computación cuántica de esta manera conduce a una confusión conceptual significativa, porque en un nivel fundamental son dos animales muy diferentes.

Este número pone de relieve la idea, a menudo errónea, de que las metáforas comunes son más útiles que las exóticas a la hora de explicar nuevas tecnologías. A veces el enfoque opuesto es más beneficioso. el La frescura de la metáfora Debe coincidir con la novedad del descubrimiento.

La singularidad de las computadoras cuánticas exige una metáfora inusual. Como investigador de la comunicación ¿Quién estudia tecnología?Creo que las computadoras cuánticas pueden entenderse mejor como un caleidoscopio.

Certeza numérica versus probabilidades cuánticas

La brecha entre la comprensión de las computadoras clásicas y las cuánticas es amplia. Las computadoras clásicas almacenan y procesan información a través de transistores, que son dispositivos electrónicos que toman estados deterministas binarios: uno o cero, sí o no. Por el contrario, las computadoras cuánticas Manejar la información de forma probabilística A nivel atómico y subatómico.

Las computadoras clásicas utilizan el flujo de electricidad para abrir y cerrar puertas secuencialmente para registrar o procesar información. La información fluye a través de circuitos, desencadenando acciones a través de una serie de interruptores que registran la información como unos y ceros. Usando matemáticas binarias, los bits son la base de todo lo digital, desde las aplicaciones de su teléfono hasta los registros de cuentas de su banco y las señales de Wi-Fi que rebotan en su casa.

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Por el contrario, las computadoras cuánticas utilizan cambios en los estados cuánticos de átomos, iones, electrones o fotones. Las computadoras cuánticas vinculan o entrelazan múltiples partículas cuánticas de modo que un cambio en una afecta a todas las demás. Luego introducen patrones de interferencia, como arrojar varias piedras a un estanque al mismo tiempo. Algunas ondas se combinan para formar picos más altos, mientras que algunas ondas y valles se combinan para anularse entre sí. Patrones de interferencia cuidadosamente calibrados guían a la computadora cuántica hacia la solución del problema.

La física Katie Mack explica la probabilidad cuántica.

Logrando un salto cualitativo conceptualmente

el término «un poco«es una metáfora. La palabra indica que durante los cálculos, una computadora puede descomponer valores grandes en valores más pequeños (bits de información) que los dispositivos electrónicos como los transistores pueden procesar más fácilmente.

Pero utilizar metáforas como estas tiene un coste. No son perfectos. Las metáforas son comparaciones incompletas que transfieren conocimiento de algo que la gente conoce bien a algo que se esfuerzan por comprender. La metáfora del bit ignora que el método binario no maneja muchos tipos diferentes de bits simultáneamente, como podría sugerir el sentido común. En cambio, todos los bits son iguales.

La unidad más pequeña de una computadora cuántica se llama bit cuántico o qubit. Pero transferir la metáfora del bit a la computación cuántica es menos conveniente que utilizarla a la computación clásica. Transferir la metáfora de un uso a otro Su efecto debilita.

La interpretación predominante de la computación cuántica es que, si bien las computadoras clásicas pueden almacenar o manipular solo un cero o un uno en un transistor u otra unidad computacional, se supone que las computadoras cuánticas almacenan y manipulan tanto ceros como unos y otros valores intermedios al mismo tiempo. mismo tiempo a través del proceso para superposición.

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Pero la superposición no almacena un uno, un cero o cualquier otro número en un momento dado. Sólo existe la expectativa de que los valores puedan ser cero o uno al final del cálculo. Esta probabilidad cuántica es el polo opuesto de la forma binaria de almacenar información.

Basado en el principio de incertidumbre de la ciencia cuántica, la probabilidad de que un qubit almacene un uno o un cero es alta El gato de Schrödinger, que puede estar vivo o muerto, dependiendo de cuándo fue observado. Pero los dos valores diferentes no existen simultáneamente durante la superposición. Existen sólo como probabilidades y el observador no puede determinar cuándo o con qué frecuencia existirán estos valores antes de que la observación haya terminado de superponerse.

Dejar estos desafíos atrás de las metáforas tradicionales de la computación binaria significa adoptar nuevas metáforas para explicar la computación cuántica.

Considere el caleidoscopio

La metáfora del caleidoscopio es especialmente adecuada para explicar procesos cuánticos. Un caleidoscopio puede crear patrones infinitamente diversos pero estructurados utilizando un número limitado de cuentas de vidrio de colores, paredes divisorias de espejos y luz. Girar el caleidoscopio mejora el efecto, generando un caleidoscopio que cambia infinitamente de colores y formas fugaces.

Las formas no sólo cambian, sino que no se pueden revertir. Si gira el caleidoscopio en la dirección opuesta, las imágenes generalmente seguirán siendo las mismas, pero la composición exacta o incluso la estructura de cada forma diferirán a medida que las cuentas se mezclan aleatoriamente entre sí. En otras palabras, si bien las cuentas, la luz y los espejos pueden imitar algunos de los patrones descritos anteriormente, no son exactamente iguales.

Si no tienes un caleidoscopio a mano, este vídeo es una buena alternativa.

Utilizando una metáfora caleidoscópica, la solución proporcionada por una computadora cuántica –el patrón final– depende de cuándo se detiene el proceso informático. La computación cuántica no se trata de adivinar el estado de ninguna partícula en particular, sino de utilizar modelos matemáticos de cómo se crean patrones de interacción entre muchas partículas en diferentes estados, llamados correlaciones cuánticas.

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Cada patrón final es una respuesta a un problema planteado a una computadora cuántica, y lo que se obtiene en la computación cuántica es la probabilidad de que conduzca a una configuración particular.

Nuevas metáforas para nuevos mundos

Las metáforas hacen que lo desconocido sea manejable, accesible y descubrible. Aproximar el significado de una cosa o fenómeno sorprendente ampliando una metáfora existente es tan antiguo como llamar “pieza” al filo de un hacha y “culata” a su extremo plano. Ambas metáforas toman algo que entendemos bien de la vida cotidiana y lo aplican a una tecnología que necesita una explicación especializada de lo que hace. Llamar “bit” al filo de un hacha sugiere de manera sugerente lo que hace, al tiempo que agrega el matiz de que cambia el objeto al que se aplica. Cuando un hacha da forma o parte un trozo de madera, le da un «mordisco».

Sin embargo, las metáforas hacen mucho más que simplemente proporcionar etiquetas y explicaciones convenientes para nuevos procesos. Las palabras que la gente usa para describir nuevos conceptos cambian con el tiempo, expandiéndose y adquiriendo vida propia.

Cuando nos encontramos con ideas, técnicas o fenómenos científicos significativamente diferentes, es importante utilizar términos nuevos y llamativos como ventanas para abrir la mente y aumentar la comprensión. Es útil para los científicos e ingenieros que buscan explicar nuevos conceptos, buscar la originalidad y dominar las metáforas; en otras palabras, pensar con palabras como piensan los poetas.

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