Computación cuántica modular. Un ambicioso programa de investigación intenta construir un ordenador cuántico a partir de la conexión de múltiples componentes diminutos.
Christopher R. Monroe, Robert J. Schoelkopf, Mikhail D. Lukin
La principal dificultad para construir un ordenador cuantico funcional reside en que, al juntar un numero cada vez mayor de particulas, estas pierden sus propiedades cuanticas.
La computacion cuantica modular intenta vincular multiples ordenadores cuanticos pequenos mediante conexiones minimas que no arruinen su comportamiento cuantico.
Varias estrategias basadas en distintos tipos de qubits han demostrado resultar exitosas a pequena escala. Tal vez pronto logren extenderse para formar sistemas mayores.
La principal dificultad para construir un ordenador cuantico funcional reside en que, al juntar un numero cada vez mayor de particulas, estas pierden sus propiedades cuanticas.
La computacion cuantica modular intenta vincular multiples ordenadores cuanticos pequenos mediante conexiones minimas que no arruinen su comportamiento cuantico.
Varias estrategias basadas en distintos tipos de qubits han demostrado resultar exitosas a pequena escala. Tal vez pronto logren extenderse para formar sistemas mayores.
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.
La Computación Cuántica se presenta como un paradigma de computación no clásico que hace uso de fenómenos cuánticos para la realización de cálculos computacionales. De entre sus distintas implementaciones o manifestaciones, la basada en puertas cuánticas se considera la más versátil o de aplicación general, por su posibilidad de construir circuitos a partir de componentes más elementales. Dichos componentes son las puertas cuánticas, conceptualmente equivalentes a sus homónimas en el paradigma de computación clásica o basada en bits. Mientras que las puertas lógicas clásicas permiten la transformación del estado presentado por un registro en n bits, y en ello basamos la práctica totalidad de los dispositivos electrónicos actuales, las puertas cuánticas permiten a su vez la transformación de los estados de registros de n qubits. A dichos estados, se los denomina estados cuánticos. A diferencia de lo que ocurre en el caso de un bit, que puede estar únicamente en los estados 0 o 1, un qubit puede encontrarse en cualquiera de ambos estados -denominados clásicos-, o en una superposición lineal de ambos. Dicha superposición, regida por coeficientes complejos, establece qué probabilidad tenemos de obtener el qubit un estado 0, o un estado 1, si le aplicamos un proceso de medición. En la gran variedad de formas en que podemos superponer los estados clásicos de cada n-qubit, reside la potencia de este paradigma. El modelo discreto de Computación Cuántica propone el uso de estados cuánticos que cumplen unas determinadas propiedades, simplificando así el modelo continuo y permitiendo el uso de nuevos parámetros para comprender la relación entre los distintos estados cuánticos y su transformación mediante puertas cuánticas. Concretamente, se destacan dos: el número mínimo de puertas necesarias para alcanzar un determinado estado cuántico discreto desde uno de la base computacional -complejidad c-, y el parámetro necesarios para mantener la norma unitaria del vector que representa el estado -novel k-. Su estudio será determinante par identificar familias de estados discretos con propiedades particulares, algoritmos para el uso o la exploración del modelo discreto, y conclusiones sobre la complejidad de los estados del modelo. Abstract: Quantum Computing presents itself as a non-classical computing paradigm that uses quantum phenomena to make computational calculations. Among its different implementations or manifestations, the one based on quantum gates is considered as the most versatile or general-purpose one, due to its ability to create circuits using other basic components as its building blocks. Those basic components are quantum logic gates, conceptually equivalent to their homonym counterpart in classical or bit-based computing. Whereas classical logic gates enable the transformation of any state of a register of n bits, and almost every current electronic device is based on this paradigm, quantum logic gates are used to transform the states allowed by a register of n qubits. We will refer to those states of a n-qubit as quantum states. Opposed to a bit, that can only be in either a 0 or 1 state, a qubit can be in any of those so-called classical states, but also in any linear superposition of both. That superposition, determined by complex coefficients, establishes the probability to obtain either a 0 or a 1 from the qubit, after applying a measuring procedure to it. The computational power of this paradigm is based on the huge number of configurations that every n-qubit can have. The discrete model of Quantum Computing suggets the use of quantum states that verify certain additional properties, therefore simplifying the continuous model, and en-abling the use of new parameters to understand the relationship between different quantum states, and its transformation with quantum logic gates. Specifically, two are highlighted: the minimum number of gates required to reach a quantum state from one of the computational base -complexity c-, and the parameter needed to ensure that the vector that represents a quantum state remains unitary -level k-. Their study will play a key role in identifying families of quantum states with relevant characteristics, algorithms that allow for the use or the exploration of the discrete model, and conclusions about the complexity of the states of this model.
El objetivo general de esta investigacion es analizar los avances de la programacion en la computacion cuantica en la actualidad. La metodologia se baso en un desarrollo bibliografico con un tipo de investigacion documental. Como conclusion, el analisis de la fisica cuantica es un area bastante importante para poder comprender los fenomenos del comportamiento de los objetos, pero cuando se decide cuantificar a traves de ecuaciones matematicas es que se concibe como mecanica cuantica. El proceso de transformacion energetica entre los sistemas involucra un proceso vibracional, cinetico y potencial de los atomos y elementos, es por ello que esta ciencia es tomada como valor fundamental en la programacion de sistemas electronicos, debido a que puede entregar con mayor seguridad los datos y a su vez ofrecer confidencialidad, aunque todavia se encuentra en fase de estudio, pero su aplicabilidad sera el boom tecnologico de la humanidad; este sistema se basa en qubits donde se toma en consideracion la superposicion, es decir que los bits pueden estar en diferentes momentos a la vez, por lo que su lenguaje es caracteristico de la resolucion de sistemas vectoriales unitarios y con una expresion grafica a traves de puertas logicas caracteristicas por cada investigador.
[ES] Las arquitecturas modulares multinúcleo se han propuesto como una solución prometedora para escalar los ordenadores cuánticos. En estas arquitecturas, los distintos procesadores cuánticos se interconectan mediante enlaces clásicos y cuánticos. Las guías de ondas ofrecen potencialmente un medio eficaz para interconectar dichos procesadores cuánticos dentro de una arquitectura modular, facilitando la transferencia coherente del estado cuántico entre chips separados. Ya se ha desarrollado y simulado un modelo sencillo de sistema cuántico qubit-guía de onda utilizando QuTip, un software para simular la dinámica de sistemas cuánticos abiertos. En este TFG, se extenderá el modelo de interconexión cuántica mediada por guía de ondas (Hamiltoniano) para que tenga un comportamiento más preciso y realista e incluya el efecto de los acopladores intermedios y parámetros como los tiempos y frecuencias de las señales requeridas en el emisor y el receptor.
Este libro ofrece las herramientas fundamentales para comprender los conceptos de la computación cuántica de altas dimensiones. Comienza con una introducción a la computación cuántica en la que se explican fenómenos cómo la superposición cuántica, la de coherencia, el paralelismo cuántico y el entrelazamiento cuántico. El lector irá familiarizándose rápidamente con el uso de qubits para entender luego las ideas y el álgebra lineal que soporta el ámbito multidimensional de la computación cuántica. Una de las temáticas de mayor importancia es el desarrollo matemático de las principales compuertas cuánticas de dos dimensiones y cómo estas son extrapoladas a múltiples dimensiones. Se explica la generalización unificada de compuertas cuánticas de altas dimensiones que se obtuvo de la investigación de los autores donde se destaca la relación encontrada entre el operador adjunto de Weyl y las compuertas de Pauli de altas dimensiones, y la propuesta de una ecuación generalizada que describe la transformada cuántica de Fourier de altas dimensiones. El lector podrá conocer también de qué manera pudo llevarse a cabo la implementación en código de cada una de estas compuertas en QuantumSkynet, un novedoso simulador de computación cuántica de altas dimensiones basado en la nube. Al final se muestran los resultados obtenidos de la simulación de dos circuitos cuánticos sobre QuantumSkynet: el algoritmo de Deutsch-Jozsa y el Algoritmo de Estimación de Fase Cuántica para sus versiones en altas dimensiones. El texto está diseñado de tal manera que diferentes tipos de lectores puedan comprenderlo, ya sea que cuenten o no con conocimientos previos de mecánica cuántica.
La idea de codificar informacion en sistemas cuanticos y procesar esta de una manera mas eficiente mediante el aprovechamiento de propiedades como la superposicion y el entrelazamiento se remonta a la decada de 1980. El campo de la computacion cuantica se mantuvo en un ambito casi exclusivamente academico hasta la decada de 2010, momento en el cual grandes empresas comienzan a participar activamente en el desarrollo de ordenadores cuanticos. En contraste con otras revoluciones tecnologicas, el desarrollo de la computacion cuantica se esta caracterizando por una estrecha colaboracion entre el mundo academico y el empresarial, en la cual las companias han dado libre acceso a sus plataformas a los investigadores y promueven el desarrollo abierto de nuevas ideas mediante la ensenanza y la organizacion de concursos.