Este trabajo presenta el diseño de una arquitectura hardware para emular circuitos cuánticos basados en compuertas tipo Toffoli con la cual se pueden emular circuitos de más de 50 qubits. El estado del sistema se obtiene procesando independientemente cada estado base mediante las funciones determinadas por las compuertas cuánticas para cada qubit; el tiempo requerido para la emulación crece exponencialmente en función del número de qubits que se usan solamente para generar una superposición de estados, y no en función de la cantidad total de qubits del sistema como ocurre cuando se usa la representación matricial convencional. Adicionalmente, se diseñó un arreglo de unidades de procesamiento para disminuir el tiempo de ejecución. Los resultados de síntesis permiten concluir que se requieren 9,35 segundos para emular la exponenciación modular de 8 bits, la cual utiliza 48 qubits, 155.312 compuertas cuánticas y requiere procesar 131.072 estados base. Estos resultados también permiten estimar que se pueden implementar 256 unidades de procesamiento de 52 qubits en el FPGA EP3C120F780I7.
Este trabajo presenta el diseño de una arquitectura hardware para emular circuitos cuánticos basados en compuertas tipo Toffoli con la cual se pueden emular circuitos de más de 50 qubits. El estado del sistema se obtiene procesando independientemente cada estado base mediante las funciones determinadas por las compuertas cuánticas para cada qubit; el tiempo requerido para la emulación crece exponencialmente en función del número de qubits que se usan solamente para generar una superposición de estados, y no en función de la cantidad total de qubits del sistema como ocurre cuando se usa la representación matricial convencional. Adicionalmente, se diseñó un arreglo de unidades de procesamiento para disminuir el tiempo de ejecución. Los resultados de síntesis permiten concluir que se requieren 9,35 segundos para emular la exponenciación modular de 8 bits, la cual utiliza 48 qubits, 155.312 compuertas cuánticas y requiere procesar 131.072 estados base. Estos resultados también permiten estimar que se pueden implementar 256 unidades de procesamiento de 52 qubits en el FPGA EP3C120F780I7.
Se presenta una propuesta de enseñanza de la computación cuántica para estudiantes entre 12 y 17 años,dado que su actividad intelectual esta en su punto máximo, lo que contribuye de manera significativa alos procesos que intervienen en su aprendizaje como: el lenguaje, la escritura, la lectura entre otros. Seestablece un enfoque pragmático como estrategia para su alfabetización. En este marco, se introduce losconceptos de estado, principio de superposición, qubits, compuertas entre otros, planteando la emulaciónde una compuerta cuántica por un circuito clásico, lo que permite hilar ideas que están a la base en elformalismo de la computación cuántica. Bajo este contexto, se muestra la equivalencia entre la compuertatipo CNOT y Toffoli con un circuito clásico en términos de la operación lógica entre la entrada y la salida dela información. El circuito clásico emula la compuerta CNOT a través de la operación | xy >→| x,y⊕x >,con x,y ∈ {0,1}, y a la compuerta Toffoli a través de la operación | q1q2q3 >→| q1,q2,q3⊕(q1∧q2) >, conq1,q2,q3 ∈ {0,1} satisfaciendo las operaciones lógicas respectivamente. Se describe la estructura generaldel circuito cuántico CNOT y Toffoli, para luego especificar la arquitectura y funcionamiento del circuitoclásico seguido de las operaciones lógicas. La emulación adquiere importancia ya que permite acercar a losestudiantes a los fundamentos de la computación cuántica de forma alternativa y sólida.
[ES] El presente Trabajo de Fin de Grado propone la aceleración por hardware del proceso de simulación de qubits afectados por errores probabilísticos, sin modificar el entorno de trabajo ni las herramientas habituales del usuario. Este enfoque está pensado para investigadores y desarrolladores que no están familiarizados con el diseño hardware, pero que requieren simulaciones más rápidas que las que permiten los métodos tradicionales en software. El sistema se implementa utilizando Vitis HLS para desarrollar un módulo hardware que posteriormente se integra en un diseño completo mediante Vivado y que se despliega sobre una FPGA PYNQ-Z1. Este tipo de simulación se apoya en herramientas como STIM, una librería ampliamente utilizada para la generación y simulación de modelos de error en circuitos cuánticos. El acelerador reproduce en hardware uno de los cuellos de botella en el flujo de trabajo con STIM: la generación masiva de errores aleatorios a partir de distribuciones probabilísticas. La interacción con el acelerador se realiza desde Jupyter Notebook, facilitando así su integración manteniendo intacta la forma habitual de trabajo.
Clasicamente, el tiempo de calculo de la energia de sistemas cuanticos crece exponencialmente con su tamano. Sin embargo, este calculo puede hacerse de orden polinomial usando un algoritmo cuantico recursivo tal como el denominado algoritmo de estimacion de fase (PEA). El PEA reduce el numero de bits cuanticos (qubits) requeridos para el registro de salida de veinte a cuatro aproximadamente. La funcion de onda del sistema molecular es mapeado a la base de los qubits de tal modo que el numero de qubits requeridos escala linealmente con el numero de elementos de la base y el numero de compuertas necesitadas crece polinomialmente con el numero de qubits. Este trabajo muestra como dicho algoritmo obtiene el valor propio de un operador hermetico, tipicamente la energia del estado fundamental de un sistema fisico abierto, dada la posible interaccion con fuentes de ruido cuantico. Lo anterior se realiza mediante la modelacion de fuentes de disipacion cuantica dentro del algoritmo y la implementacion de correccion cuantica de errores a traves del algoritmo de Shor
El control es una rama interdisciplinar entre la ingeniería y las matemáticas, cuyo objetivo es la manipulación activa del comportamiento de cualquier sistema dinámico. Actualmente, con el desarrollo de nuevas tecnologías basadas en dispositivos cuyas leyes vienen dictadas por la mecánica cuántica, el desarrollo de técnicas de control aplicadas a estos sistemas se ha convertido en una prioridad para el desarrollo tecnológico actual. \nEl principal problema radica en que algunas cualidades de la mecánica cuántica no permiten pasar fácilmente el esquema del control clásico al ámbito cuántico. Clásicamente, es posible adquirir toda la información necesaria y emplearla de manera eficiente para retroalimentar el sistema y especializar la acción de control al estado actual. Por el contrario, en un sistema cuántico no toda la información es asequible mediante una medición y, además, todo intento de medir el sistema lo perturba de manera notable. Técnicamente, las ecuaciones dinámicas en un proceso tal son ecuaciones diferenciales estocásticas (SDE1) no lineales en lugar de las ecuaciones diferenciales deterministas de los sistemas clásicos. \nEl dominio de las tecnologías cuánticas se divide en cuatro campos destacables [1]: Sensores cuánticos, donde la alta sensibilidad de los sistemas cuánticos a las perturbaciones se aprovecha para mejorar la precisión de las medidas de magnitudes físicas; Comunicación cuántica, donde los fotones se usan para transmitir datos e información de una manera segura; Simulación cuántica, donde un sistema cuántico controlado puede simular el comportamiento de otro sistema cuántico menos accesible; y Computación cuántica, donde mediante los fenómenos cuánticos se puede conseguir una disminución drástica del tiempo de computación en cálculos numéricos. \nSabiendo los campos de actuación de estas tecnologías y mirando al futuro, del mismo modo que el transistor supone actualmente un elemento imprescindible en la industria, parece difícil no creer que las tecnologías cuánticas supondrán una revolución en sectores como la industria aeroespacial, automotriz o manufacturera, así como en salud, agricultura o finanzas. \nEl desarrollo de las tecnologías cuánticas ha conseguido captar mucha atención en las últimas décadas. Como aparece explicado en [1], parte de este impulso se debe al “Quantum Manifesto”, un documento generado en 2016 por la comunidad científica donde se realiza un llamamiento a gobiernos e industrias para apoyar esta tecnología. El interés generado por este documento fue respondido por la Comisión Europa mediante un proyecto de 10 años de duración (Flagship) y con una inversión de más de un billón de euros iniciales, aumentando en volumen cada año que pasa. Por otro lado, potencias mundiales como China, Rusia, Australia, Estados Unidos o Canadá son actualmente líderes en el desarrollo de tecnologías cuánticas. A nivel empresarial, compañías como Intel, HP, Toshiba y Microsoft, con IMB y Google a la cabeza, apuestan por la investigación en los campos de las tecnologías cuánticas como la computación y la comunicación cuánticas. \nCon este trabajo se pretende desarrollar un proyecto de investigación enfocado a la simulación numérica de la dinámica y control de un Qubit (bit cuántico): la nueva unidad de información elemental de la teoría de la información cuántica. A diferencia de un bit clásico que solo presenta dos estados posibles, un bit cuántico puede presentar ambos estados al mismo tiempo, es decir, el estado de un Qubit es una combinación lineal de los estados elementales de un bit clásico. \nEsta característica es la que define el potencial de los Qubits como nueva tecnología. Por este mismo motivo, el Qubit, como su propio nombre indica, es un sistema cuántico, estando sometido y regido por las leyes de estos. \nEn el primer capítulo del trabajo, se realizará una breve introducción a las tecnologías cuánticas, ilustrando el formalismo cuántico a través de la computación cuántica. En esta sección, se estudiará el Qubit, sus estados y las operaciones a las que son sometidos. En el segundo capítulo, se introducirá el modelo de control empleado para sistemas cuánticos en general, concretando para la dinámica y control de un Qubit. En el siguiente capítulo, analizaremos los resultados obtenidos a través de las diferentes simulaciones llevadas a cabo mediante métodos numéricos. En este punto, comprobaremos qué tan bueno es el control propuesto en la bibliografía para un Qubit y si es robusto ante diferentes situaciones. Se cerrará el proyecto con un capítulo dedicado a las conclusiones extraídas y los posibles trabajos de interés que se pueden realizar en un futuro.
Uno de los retos actuales en el campo de la información es la construcción de un ordenador cuántico. En un ordenador cuántico se sustituye la unidad de información de los ordenadores clásicos, el bit, por un bit cuántico o qubit. El principio de superposición, inherente a la física cuántica, permite entonces manejar estados "superposición". Esta posibilidad abre una puerta a la implementación de nuevos algoritmos y podría permitir simulaciones y cálculos impracticables con tecnologías clásicas. Los tres obstáculos principales a la hora de construir un ordenador cuántico son: - Encontrar sistemas físicos que tengan las propiedades adecuadas para ser qubits. Se buscan principalmente que sean equivalentes a un sistema cuántico de dos niveles en el régimen de trabajo. Existen sistemas que, de forma natural, ya presentan esta característica, por ejemplo espines nucleares, atómicos o moleculares o dipolos eléctricos. Por otro lado, también existen sistemas sintéticos que pueden fabricarse con las características deseadas. Estos últimos son determinados circuitos cuánticos como los qubits de carga o qubits de flujo (superconductores). - Encontrar sistemas para inicializar, leer, escribir y manipular los qubits así como para acoplarlos entre sí generando entrelazamiento cuántico y creando puertas lógicas cuánticas. Los qubits no solo tienen que almacenar información, sino que además deben poder ser manipulados de forma efectiva. Asimismo, la información ha de ser transferida de un lugar del sistema a otro (bus cuántico). La forma más natural de manipular los distintos qubits es mediante su acoplo a radiación electromagnética. Los fotones son de forma natural objetos cuánticos y ofrecen un muy efectivo medio para la transferencia de información cuántica. - Mantener la coherencia cuántica de los qubits. Los sistemas y efectos cuánticos son típicamente muy sensibles a perturbaciones externas y cualquier interacción con el entorno puede destruir su coherencia. La necesidad de aislarlos adecuadamente del entorno compite directamente con la facilidad de manipularlos y ponerlos en interacción mutua. En este contexto, tiene especial importancia el estudio de la interacción de fotones individuales con sistemas cuánticos candidatos a ser qubits. El ejemplo arquetípico para el estudio de esta interacción son los sistemas de electrodinámica cuántica de cavidades (Cavity Quantum Electrodynamics o CQED en inglés). Éstos consisten en un sistema cuántico de dos niveles acoplado a único modo de la radiación electromagnética, por ejemplo, a fotones almacenados en una cavidad. La intensidad del acoplo fotón-qubit ha de superar las frecuencias de coherencia de ambos subsistemas. Este régimen de acoplo fuerte permite que, durante el tiempo de vida del sistema, se pueda realizar un numero suficientemente elevado de operaciones. Con el objeto de aumentar el acoplo entre los fotones de una cavidad y un qubit, se han investigado distintos tipos de cavidades y qubits que permiten alcanzar el régimen de acoplo fuerte. Uno de los más interesantes es lo que ahora se conoce como electrodinámica cuántica de circuitos (Circuit QED), que consiste en usar tecnologías de circuitos integrados y superconductores para fabricar cavidades y qubits adaptados para aplicaciones en el procesado cuántico de información. Uno de los sistemas más utilizados en Circuit QED es el qubit de carga (Cooper pair box) acoplado a través de la componente eléctrica del campo a un resonador coplanar superconductor (superconducting coplanar waveguide resonator). La geometría de una guía de ondas coplanar permite aumentar la densidad de energía electromagnética (y por consiguiente el acoplo) con respecto a una cavidad tridimensional estándar. Este sistema presenta acoplo fuerte y permite la realización de operaciones sobre el qubit e incluso entrelazar múltiples qubits acoplados a la misma cavidad. Sistemas candidatos a qubits que se acoplan al campo magnético, como por ejemplo sistemas de espines de estado sólido, también son interesantes por sus posibles aplicaciones para el almacenamiento de información cuántica y para proporcionar una interconexión entre fotones de radio-frecuencias con fotones ópticos. Experimentos realizados en los últimos años demuestran la posibilidad de acoplar coherentemente centros NV y P1 de diamante con circuitos cuánticos como resonadores superconductores o qubits de flujo. Estos defectos en diamante actúan como sistemas de espín 1 y se acoplan colectivamente al circuito proporcionando un aumento en el acoplo proporcional a la raíz cuadrada de número de espines. El acoplo fuerte se consigue gracias a este factor junto con la alta coherencia de los centros magnéticos (tiempos de coherencia de 1-2 ms a temperatura ambiente). También se ha demostrado acoplo fuerte magnético, incluso a temperatura ambiente, entre radicales paramagnéticos de spin 1/2 y cavidades de microondas tridimensionales. El uso qubits de espín abre también la posibilidad a otros sistemas algo más complejos. Los "single molecule magnets" (moléculas imán ó SMMs) son moléculas organometálicas formadas por un núcleo de alto espín rodeado de ligandos orgánicos que, de forma natural, se organizan en cristales moleculares. El alto valor de su espín puede permitir que el régimen de acoplo fuerte sea más fácil de alcanzar y podría llevar a su aplicación como memorias cuánticas. Los SMMs son también interesantes por que permiten manipular químicamente sus propiedades para distintas aplicaciones. Si nos restringimos solo al campo de la información cuántica, estos sistemas pueden actuar no sólo como qubits individuales sino que se pueden diseñar para que una única molécula contenga múltiples qubits débil o fuertemente entrelazados, para actuar como puertas lógicas o como simuladores cuánticos. Muchas de las aplicaciones de SMMs más sofisticados requieren acoplar moléculas individuales al campo magnético de un resonador, un reto aún más complicado que el acoplo a cristales macroscópicos. Si este límite fuera alcanzable, se podrían utilizar circuitos supercondutores para manipular y transferir coherentemente información entre qubits de espín, proporcionando una arquitectura adecuada para implementar un procesador cuántico de espines. Si nos inspiramos en los sistemas de Circuit QED, podemos imaginar construir un sistema similar donde se colocarían moléculas individuales en las posiciones de la cavidad donde haya máximo campo magnético para el modo deseado de las microondas. Los espines podrían entonces sintonizarse individualmente utilizando campos magnéticos locales para ponerlos en resonancia con la cavidad e intercambiarían información. El principal objetivo en esta tesis, es comprobar la viabilidad de propuestas como esta y dar los primeros pasos hacia su realización. Los acoplos alcanzables en la actualidad para espines individuales son todavía demasiado bajos como para superar sus los límites impuestos por sus tiempos de coherencia. Esto nos deja con dos alternativas para mejorar el acoplo: - Encontrar sistemas de espín con mejores propiedades (tanto acoplo más fuerte como mejor coherencia) - Modificar las cavidades para aumentar el campo magnético y, por tanto, el acoplo. Teniendo esto en cuenta, los objetivos concretos de la tesis son: - Establecer que características deben tener los sistemas de espín para acoplarse fuertemente con un circuito cuántico - Estudiar las propiedades de diferentes familias de SMMs y ver si cumplen con las condiciones requeridas para el acoplo fuerte, tanto en forma de cristales moleculares como de moléculas individuales. - Diseñar nuevos resonadores de Circuit QED para concentrar el campo de microondas en regiones, optimizando así la interacción con pequeños grupos de espines o moléculas magnéticas. Explorar también si estas modificaciones cambian de forma sustancial las propiedades básicas del resonador.
La computación cuántica es un paradigma de computación basado en las propiedades de la mecánica cuántica. Su unidad básica de información es el qubit, que permite estar en una superposición de múltiples estados. Esta propiedad, entre otras, permite la representación y manipulación de información de maneras que presentan potenciales ventajas respecto de otros tipos de computación. Sin embargo los ordenadores cuánticos actuales están limitados por la cantidad de ruido que sufren sus qubits. Los algoritmos cuánticos variacionales son una familia de arquitecturas de algoritmos cuánticos que surgen como una oportunidad en esta situación ya que debido a sus propiedades son capaces de alcanzar buenos resultados a pesar del ruido. La efectividad de esta aproximación depende de diversos factores como la tarea a resolver, el circuito cuántico utilizado, la optimización clásica, etc. que deben ser adaptados en cada situación. El objetivo de este proyecto es comprender y estudiar esta familia de arquitecturas desde sus fundamentos teóricos, y posteriormente realizar simulaciones que pongan en práctica estos conceptos. Para ello en la primera sección se definen los principios teóricos de la computación cuántica, para luego definir la arquitectura común entre los algoritmos variacionales y finalmente concretar en tres implementaciones relevantes, que después de exponerse serán implementadas con herramientas software de simulación de computación cuántica.