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Lenguajes de Programación Cuánticos (LPC)

Prieto Idarraga, Brandon Nicolai

Published Jan 1, 2018• 0 citations
OpenAlex

Abstract

El siguiente documento abarca una investigacion sobre lenguajes de programacion cuanticos, empezando desde lenguajes de programacion cuanticos de bajo nivel, donde se usan compuertas cuanticas basicas para programar el algoritmo cuantico de Deutsch, luego se trasplanta al la computadora cuantica de IBM accesible en la nube, donde se explica su funcionamiento a nivel de software, y las librerias que la implementan, y se experimente implementado el algoritmo de Deutsch y verificando su funcionamiento, despues se hace un avance a lenguajes de programacion cuanticos imperativos, en este caso Q y QCL, los cuales estan implementados en C y C++ respectivamente, lo cual quiere decir que solamente permiten la emulacion de una computadora cuantica, se toma como base de nuevo el algoritmo de Deutsch, y se implemente en ambos lenguajes. Y como punto final se realiza la explicacion del compilador de lenguaje ensamblador cuantico construido usando javacc para el proyecto el cual traduce de un lenguaje ensamblador preestablecido y explicado en el documento a java.

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La computación cuántica plantea un nuevo modelo de computación que incorpora formas inéditas de pensar los problemas. Conceptos claves para ello son el enredo cuántico, el paralelismo y el no clonado. Si bien estos conceptos no tienen un correlativo en la computación clásica, su estudio puede tener consecuencias en el estudio del comportamiento probabilista y no-determinista de programas clásicos. Asimismo, la simple observación de estas nuevas formas de pensar los problemas es fuente de inspiración para resolver problemas clásicos. Este proyecto se centra en el diseño de lenguajes de programación cuántica como fin en sí mismo, y como medio para el desarrollo de lenguajes de programación clásica con características novedosas.

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Este análisis examina el campo de la computación cuántica y el desarrollo de software cuántico basado en una selección de artículos relevantes. La investigación revela que la computación cuántica ha pasado de ser un concepto teórico a una realidad práctica, con computadoras cuánticas ahora accesibles para todos a través de servicios en la nube o simulaciones. Los artículos discuten diversos aspectos relacionados con la computación cuántica, incluyendo tecnologías, metodologías y orientación práctica para desarrolladores que se aventuran en proyectos de software cuántico. Una tendencia emergente identificada es la necesidad de la ingeniería de software cuántico, ya que el campo carece de modelos, estándares y métodos establecidos para la creación y migración de sistemas. Una comparación y síntesis de los artículos resalta los avances y desafíos en el campo, así como las lagunas y áreas para futuras investigaciones. En general, este análisis destaca la importancia creciente de la computación cuántica y proporciona una visión crítica sobre su desarrollo y potencial impacto en la industria y la sociedad.

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Las computadoras cuánticas fueron creadas por primera vez en el año 1998 y actualmente empresas como Google, IBM y la NASA las están utilizando de modo experimental. Su importancia radica en la velocidad con que procesan los datos, y lo hacen en un tiempo considerablemente menor que el llevado a cabo por una computadora convencional. Por ejemplo, a un ordenador clásico le tomaría cientos de años poder encontrar los factores primos de un número natural de 600 dígitos, mientras que a una computadora cuántica sólo le tomaría unos minutos. En este proyecto se estudian los fundamentos matemáticos de la Computación Cuántica. Asimismo, se desarrollan algoritmos para ser implementados en un ordenador cuántico. Si bien este nuevo paradigma de programación está en sus inicios, en un futuro no muy lejano las computadoras cuánticas reemplazarán a las convencionales en entornos de cálculos intensivos, y se tornará cada vez más necesario diseñar algoritmos acordes a esta nueva tecnología.

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El cómputo cuántico (CQ), la nueva tecnología con las soluciones para el uso masivo de datos, velocidad de cómputo y seguridad informática

José Ruiz Ayala, Luis Héctor García Muñoz, Antonio de Santiago Barragán +1 more

Las ciencias que se relacionan con la informática, ya sea en el procesamiento electrónico de datos, o su almacenamiento en grandes volúmenes y la transmisión de esa información por redes que dan la vuelta al mundo casi instantáneamente, se preparan para dar un salto cualitativo y cuantitativo de grandes dimensiones. El desarrollo de sistemas de cómputo basados en la mecánica cuántica así nos lo promete. El computo cuántico será la nueva revolución industrial de este incipiente siglo, algunas grandes compañías se han decantado por esta nueva tecnología que promete solucionar los cuellos de botella que se presentan por el manejo y análisis de este gran volumen de datos (Big Data). Investigaciones realizadas indican que es posible, aunque al parecer los costos de operación y desarrollo indiquen lo contrario. Veamos las características del equipo que se oferta actualmente en el mercado y los avances que se han logrado en este campo, además del lenguaje de programación para simular la programación cuántica; este es el caso del Q# (Q Sharp de Microsoft). Este lenguaje nos lleva ya a poder enfrentar soluciones complejas intratables en la programación convencional, y nos prepara para la programación de muy alto rendimiento que es la programación cuántica.

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La computación cuántica ha impulsado múltiples líneas de investigación en los últimos años, debido al interés conjunto de la comunidad científica y de la industria tecnológica en diseñar ordenadores cuánticos capaces de ejecutar circuitos con alta precisión. Como resultado, nuevos enfoques como el MBQC (computación cuántica basada en mediciones) han surgido como alternativas viables al modelo estándar de computación cuántica. De igual manera, empresas tecnológicas como Google o IBM continúan impulsando de manera sostenida el desarrollo del hardware para computación cuántica, logrando avances significativos como el procesador Heron de 156 cúbits de IBM o el chip Willow de Google para la corrección de errores cuánticos. En particular, la introducción de Qiskit como software libre, por parte de IBM, brinda a los usuarios la posibilidad de realizar experimentos de computación cuántica utilizando ordenadores cuánticos reales, lo que sugiere la importancia de Qiskit dentro de este campo. Por tal motivo, el objetivo de este trabajo es diseñar una plantilla en Python con Qiskit para aplicar el protocolo MQBC en diferentes circuitos y ejecutarlos en un ordenador cuántico de IBM. Esta plantilla se basa en el modelo One-Way, un enfoque particular del MQBC, aplicado a un clúster lineal de 4 cúbits, y utiliza técnicas como la Postselección, Reetiquetado y Tomografía cuántica para caracterizar los estados de salida generados. Con ello, se busca implementar 5 circuitos cuánticos correspondientes a diferentes configuraciones clústers lineales y bidimensionales, a partir del estado clúster lineal de 4 cúbits. Asimismo, se mostrarán los pasos para implementar un circuito que detalla una búsqueda cuántica de dos cúbits. Para verificar la validez de los resultados, se calculará la fidelidad para cada estado de salida, considerando los circuitos teóricos descritos en el paper Experimental One-Way Quantum Computing. Finalmente, para las configuraciones de clúster bidimensionales, se analizará el grado de entrelazamiento para confirmar la generación de estados entrelazados a partir de cúbits codificados inicialmente separables. En adición, esta tesis tiene como finalidad servir como documento de referencia para facilitar el aprendizaje de Qiskit en futuros trabajos de computación cuántica.

•Jan 1, 2026•0 citations
El siguiente documento abarca una investigacion sobre lenguajes de programacion cuanticos, empezando desde lenguajes de programacion cuanticos de bajo nivel, donde se usan compuertas cuanticas basicas para programar el algoritmo cuantico de Deutsch, luego se trasplanta al la computadora cuantica de IBM accesible en la nube, donde se explica su funcionamiento a nivel de software, y las librerias que la implementan, y se experimente implementado el algoritmo de Deutsch y verificando su funcionamiento, despues se hace un avance a lenguajes de programacion cuanticos imperativos, en este caso Q y QCL, los cuales estan implementados en C y C++ respectivamente, lo cual quiere decir que solamente permiten la emulacion de una computadora cuantica, se toma como base de nuevo el algoritmo de Deutsch, y se implemente en ambos lenguajes. Y como punto final se realiza la explicacion del compilador de lenguaje ensamblador cuantico construido usando javacc para el proyecto el cual traduce de un lenguaje ensamblador preestablecido y explicado en el documento a java.
La computación cuántica plantea un nuevo modelo de computación que incorpora formas inéditas de pensar los problemas. Conceptos claves para ello son el enredo cuántico, el paralelismo y el no clonado. Si bien estos conceptos no tienen un correlativo en la computación clásica, su estudio puede tener consecuencias en el estudio del comportamiento probabilista y no-determinista de programas clásicos. Asimismo, la simple observación de estas nuevas formas de pensar los problemas es fuente de inspiración para resolver problemas clásicos. Este proyecto se centra en el diseño de lenguajes de programación cuántica como fin en sí mismo, y como medio para el desarrollo de lenguajes de programación clásica con características novedosas.
Este análisis examina el campo de la computación cuántica y el desarrollo de software cuántico basado en una selección de artículos relevantes. La investigación revela que la computación cuántica ha pasado de ser un concepto teórico a una realidad práctica, con computadoras cuánticas ahora accesibles para todos a través de servicios en la nube o simulaciones. Los artículos discuten diversos aspectos relacionados con la computación cuántica, incluyendo tecnologías, metodologías y orientación práctica para desarrolladores que se aventuran en proyectos de software cuántico. Una tendencia emergente identificada es la necesidad de la ingeniería de software cuántico, ya que el campo carece de modelos, estándares y métodos establecidos para la creación y migración de sistemas. Una comparación y síntesis de los artículos resalta los avances y desafíos en el campo, así como las lagunas y áreas para futuras investigaciones. En general, este análisis destaca la importancia creciente de la computación cuántica y proporciona una visión crítica sobre su desarrollo y potencial impacto en la industria y la sociedad.
Las computadoras cuánticas fueron creadas por primera vez en el año 1998 y actualmente empresas como Google, IBM y la NASA las están utilizando de modo experimental. Su importancia radica en la velocidad con que procesan los datos, y lo hacen en un tiempo considerablemente menor que el llevado a cabo por una computadora convencional. Por ejemplo, a un ordenador clásico le tomaría cientos de años poder encontrar los factores primos de un número natural de 600 dígitos, mientras que a una computadora cuántica sólo le tomaría unos minutos. En este proyecto se estudian los fundamentos matemáticos de la Computación Cuántica. Asimismo, se desarrollan algoritmos para ser implementados en un ordenador cuántico. Si bien este nuevo paradigma de programación está en sus inicios, en un futuro no muy lejano las computadoras cuánticas reemplazarán a las convencionales en entornos de cálculos intensivos, y se tornará cada vez más necesario diseñar algoritmos acordes a esta nueva tecnología.
Las ciencias que se relacionan con la informática, ya sea en el procesamiento electrónico de datos, o su almacenamiento en grandes volúmenes y la transmisión de esa información por redes que dan la vuelta al mundo casi instantáneamente, se preparan para dar un salto cualitativo y cuantitativo de grandes dimensiones. El desarrollo de sistemas de cómputo basados en la mecánica cuántica así nos lo promete. El computo cuántico será la nueva revolución industrial de este incipiente siglo, algunas grandes compañías se han decantado por esta nueva tecnología que promete solucionar los cuellos de botella que se presentan por el manejo y análisis de este gran volumen de datos (Big Data). Investigaciones realizadas indican que es posible, aunque al parecer los costos de operación y desarrollo indiquen lo contrario. Veamos las características del equipo que se oferta actualmente en el mercado y los avances que se han logrado en este campo, además del lenguaje de programación para simular la programación cuántica; este es el caso del Q# (Q Sharp de Microsoft). Este lenguaje nos lleva ya a poder enfrentar soluciones complejas intratables en la programación convencional, y nos prepara para la programación de muy alto rendimiento que es la programación cuántica.
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La computación cuántica ha impulsado múltiples líneas de investigación en los últimos años, debido al interés conjunto de la comunidad científica y de la industria tecnológica en diseñar ordenadores cuánticos capaces de ejecutar circuitos con alta precisión. Como resultado, nuevos enfoques como el MBQC (computación cuántica basada en mediciones) han surgido como alternativas viables al modelo estándar de computación cuántica. De igual manera, empresas tecnológicas como Google o IBM continúan impulsando de manera sostenida el desarrollo del hardware para computación cuántica, logrando avances significativos como el procesador Heron de 156 cúbits de IBM o el chip Willow de Google para la corrección de errores cuánticos. En particular, la introducción de Qiskit como software libre, por parte de IBM, brinda a los usuarios la posibilidad de realizar experimentos de computación cuántica utilizando ordenadores cuánticos reales, lo que sugiere la importancia de Qiskit dentro de este campo. Por tal motivo, el objetivo de este trabajo es diseñar una plantilla en Python con Qiskit para aplicar el protocolo MQBC en diferentes circuitos y ejecutarlos en un ordenador cuántico de IBM. Esta plantilla se basa en el modelo One-Way, un enfoque particular del MQBC, aplicado a un clúster lineal de 4 cúbits, y utiliza técnicas como la Postselección, Reetiquetado y Tomografía cuántica para caracterizar los estados de salida generados. Con ello, se busca implementar 5 circuitos cuánticos correspondientes a diferentes configuraciones clústers lineales y bidimensionales, a partir del estado clúster lineal de 4 cúbits. Asimismo, se mostrarán los pasos para implementar un circuito que detalla una búsqueda cuántica de dos cúbits. Para verificar la validez de los resultados, se calculará la fidelidad para cada estado de salida, considerando los circuitos teóricos descritos en el paper Experimental One-Way Quantum Computing. Finalmente, para las configuraciones de clúster bidimensionales, se analizará el grado de entrelazamiento para confirmar la generación de estados entrelazados a partir de cúbits codificados inicialmente separables. En adición, esta tesis tiene como finalidad servir como documento de referencia para facilitar el aprendizaje de Qiskit en futuros trabajos de computación cuántica.