El concepto de computación cuántica arranca en 1981, cuando el físico Richard Feymanse pregunta si sería posible simular la física en una computadora de la época y propone unmodelo básico para una computadora que pudiera simular procesos cuánticos.
La informacion es un ente fisico. Los sistemas fisicos registran y procesan informacion. El reconocimiento de estos hechos desde el punto de vista de la teoria de la informacion y su relacion directa con aplicaciones a nuevas adolescentes ha sido crucial en el desarrollo reciente de la teoria tanto basica como aplicada, al mismo tiempo que de otras areas la computacion, matematicas e ingenierias, donde el reto de construir dispositivos que permiten el procesamiento de informacion a nivel cuantico es objetivo primordial. En los trabajos de Deutsch (Deutsch, 1985) y Shor (Shor, 1994), la nocion de bit clasico de la teoria de la informacion es conceptualmente extendida a un marco fisico radicalmente diferente con la introduccion del bit cuantico, donde fue demostrado que los efectos de interferencia cuantica de muchas cosas puede permitir una forma nueva y fundamental de computo, donde es posible la ejecucion de tareas computacionales, irresolubles, cuentos, como la factorizacion de numeros primos, muy grandes, o la simulacion exacta de sistemas, multipartitos, cuanticos. Asi, la investigacion en fisica de la informacion y el computo cuantico se ha convertido en un foco de desarrollo basico de la fenomenologia cuantica, analisis y revision del cual se presenta en este trabajo.
Empezar con la definicion formal de qubit, registrador cuantico, y de conjunto universal de compuertas logicas empleado en la construccion de un computador cuantico, desde la perspectiva de un modelo de computacion de rojo cuantica. A partir de este momento, se enfatiza en la versatilidad de la representacion de circuito cuantico para intrincar y desintrincar estados cuanticos. De aqui se introduce el teorema de no clonacion y sus aplicaciones a criptografia cuantica. Se describe dos alternativas a la formulacion 'tradicional' o usual de computo cuantico: i) computacion cuantica geometrica, y ii) computacion cuantica unidireccional. Se realiza la caracterizacion, y cuantificacion de intrincamiento cuantico, en particular de sus usos como recurso fisico en protocolos de comunicacion cuentos cuanticos como teleportacion, criptografia, codificacion superdensa, y compresion de datos. Se introduce el concepto de paralelismo cuantico de aleman y se analiza su aplicacion a la capacidad eficiente de tareas algoritmicas irresolubles clasicamente La decoherencia cuantica se presenta como proceso inherente y central en el procesamiento de informacion cuantica. Se plantean mecanismos para corregirla o evitarla, en particular, se analiza en detalle el proceso de correccion de errores cuanticos. Finalmente, se describen algunas de las implementaciones fisicas de computo y comunicacion cuantica, y de la forma como un qubit puede ser poseido fisicamente en una gran variedad de nanosistemas.
Hacemos una breve reseña de los orígenes de la computación cuántica e introducimos la noción de "qubit". Mencionamos algunos problemas relativos a la construcción de computadoras cuánticas y remarcamos que un problemas esencial es el de decoherencia. El enfoque geométrico para resolver ese problema se basa en variar los ángulos de inclinación de campos magnéticos aplicados sobre fotones que codifican qubits. Hemos querido hacer aquí un recuento de tipo histórico sobre el cómputo cuántico y por tanto las referencias remiten a documentos primarios en la literatura especializada.
La investigación se realiza con el objetivo de relacionar la computación clásica y la computación cuántica, así como determinar cuáles serán las implicaciones que podríamos ver en un futuro. Como consecuencia, surgen las preguntas: ¿Será la computación clásica eventualmente reemplazada por su contraparte cuántica? ¿Vendrá esta tecnología a revolucionar totalmente el viejo paradigma de las computadoras clásicas o tendrá una aplicación específica en ciertas industrias y se complementará con las computadoras actuales? En este artículo responderemos a ambas preguntas por medio de la ejecución de varios algoritmos de prueba cuyos resultados son la base de nuestro análisis. Cabe destacar que este artículo no se basa en simulaciones, sino en ejecuciones reales de algoritmos cuánticos en una computadora cuántica de 15-qubits.
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.
En 1982 los físicos Paul Benio y Richard Feymann (independientemente) propusieron \npor primera vez la idea de que un sistema cuántico puede ser utilizado en \ncomputación. Ambas ideas se basan en que si la unidad indivisible de información \nclasica es el bit (un objeto que puede tener dos valores 0 o 1) entonces la correspondiente \nunidad de información cuántica es el bit cuántico o "quantum bit" ( 'qubit'). Con \nlo cual la idea basica de funcionamiento es: se coloca una serie de qubits en un estado \ninicial determinado, se aplica una operación unitaria U (equivalente a una compuerta \nlógica cuántica), se deja evolucionar al sistema y luego se mide. La medición realizada \nes la salida de la computadora cuántica. \nA partir de estas ideas sugieron diversos candidatos para ser usados como qubits \npara: almacenamiento, manipulación y transmisión de información cuántica. Paralelamente, \nel estudio de fenomenos cuánticos a escala mascroscópica y los desarrollos \ntecnológicos permitieron el uso de nanosistemas superconductores como qubits. En los \ncuales es posible manipular el estado cuántico del sistema mediante la aplicación y \nmedición de variables mascroscópicas (como voltajes, corrientes y \nflujos magnéticos en el dispositivo), útil para la construcción de una compuerta lógica cuántica. \nEntre los posibles candidatos superconductores tenemos el qubit de \nflujo. Este dispositivo \nconsiste en una espira superconductora con una serie de junturas del tipo \nsuperconductor-aislante-superconductor. El funcionamiento se basa, sin entrar en detalles, \nen la posibilidad de manipular el estado cuántico superconductor mediante la \naplicación de un campo magnetico externo: el \nflujo encerrado en la espira modica las \nfases de la función de onda del sistema, generando fenómenos de interferencia cuántica. \nUna de las grandes ventajas es la posibilidad de determinar su estado cuántico \nmediante la medición de la corriente en la espira: los signos de la corriente permite \nidenticar los estados del sistema. \nEn este trabajo se presenta una breve descripción de dichos nanosistemas a fin \nde determinar su dinámica. Partimos modelando al qubit de \nflujo como un sistema \nsimplicado de dos niveles, forzado por un campo magnético periódico en el tiempo. \nDe esta manera se manipula el estado del qubit modicando las probabilidades de \nencontrar al sistema en uno de los dos estados, es decir: se elige un estado inicial, se \naplica el campo externo y se analiza su evolución. En base a este modelo, calculamos \nnumericamente dichas probabilidades para tiempos finitos y para el caso estacionario, \nen el cual se deja evolucionar al sistema lo suciente hasta alcanzar un estado final \nindependientemente de su preparación inicial. \nPor otra parte se enfatizó el estudio del qubit de \nflujo en contacto con el ambiente \nque lo rodea, con el objetivo de poder comparar nuestros resultados numéricos \ncon mediciones experimentales. Para ello se analiza como afectan las \nfluctuaciones del \nmundo externo a la dinámica del sistema, considerando diferentes fuentes de ruido. \nLuego se estudio los efectos de extender el sistema a N niveles, en particular se trabaj \no con N = 4. De esta manera, se busca poder identicar las fuentes de ruido para \npoder disminuirlas, y con ello evitar la pérdida de información del sistema.
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.