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.
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.
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.
La computación cuántica es un tema que, para la mayoría de los estudiantes de ingeniería, puede no llamar su atención al inicio y parecer algo extremadamente complejo. La relación con la física cuántica y con fenómenos no visibles en la vida cotidiana genera que, en un primer acercamiento, surjan muchas dudas, pero, a la vez, curiosidad. En nuestro caso, dar un primer vistazo a este tema fue como descubrir un camino hacia un nuevo tipo de computación, muy diferente de la que hemos venido estudiando hasta el momento. El propósito de este artículo es hacer una primera aproximación al concepto de la computación cuántica a través de la visión de personas que aún están aprendiendo y que buscan entender lo básico y empezar a soñar con la infinidad de posibilidades que esta tecnología puede aportar a nuestro campo.El objetivo es acercarnos a la computación cuántica, entender por qué está cobrando tanta relevancia en el mundo tecnológico actual y cuáles son sus potenciales impactos. Para ello, se presenta un recorrido a través de los conceptos clave, seguido de las características que diferencian la computación cuántica de la computación que conocemos y finalizar con reflexiones sobre su aplicación, limitaciones actuales y proyecciones.
El desarrollo vertiginoso de las tecnologías cuánticas marca una de las transiciones científicas y tecnológicas más profundas del siglo XXI. Durante décadas, la computación clásica, cimentada en la lógica booleana y el procesamiento de bits discretos, ha sido el motor fundamental de la transformación digital global. Sin embargo, los límites físicos de la miniaturización de semiconductores y la creciente complejidad computacional de problemas en optimización, criptografía y simulación de sistemas complejos han impulsado el surgimiento de un nuevo paradigma: la computación cuántica. La naturaleza intrínsecamente interdisciplinaria de la computación cuántica —que demanda el dominio convergente del álgebra lineal, la teoría de la información, la algorítmica y la ingeniería de hardware— exige superar las barreras departamentales tradicionales y definir nuevas estrategias de diseño curricular. A pesar del interés global por fomentar la alfabetización cuántica, la incorporación de estos contenidos en las mallas curriculares de pregrado y posgrado en América Latina y otras regiones en desarrollo suele ser fragmentaria, opcional o inexistente. Existe una falta de marcos orientadores claros que permitan evaluar cómo se está articulando esta disciplina en la educación superior y cuáles son los modelos pedagógicos más efectivos para su enseñanza. A partir de esta problemática, el presente estudio se articula en torno a la siguiente pregunta central de investigación: ¿De qué manera se está integrando la computación cuántica en los currículos universitarios y cuáles son las estrategias pedagógicas, estructurales e interdisciplinarias necesarias para consolidar su enseñanza efectiva en la educación superior?. Para dar respuesta al problema formulado, esta investigación establece como propósito central: analizar el estado actual, las dinámicas de integración y los desafíos curriculares de la computación cuántica en las instituciones de educación superior, con el fin de proponer un marco didáctico e interdisciplinario que oriente el diseño de programas académicos pertinentes y adaptados a las exigencias del entorno tecnológico contemporáneo.
En el presente trabajo se aborda un estudio general de la decoherencia cuántica, entendiendo por general que no se centra en el análisis de un modelo particular. El estudio de la decoherencia ha adquirido, recientemente, una gran importancia en la computación cuántica, donde el fenómeno de la decoherencia representa un gran obstáculo para implementación de hardware para procesamiento de la información. Por otro lado, la decoherencia juega un papel esencial en el límite clásico y en la emergencia del comportamiento clásico en sistemas cuánticos. Por este motivo la comprensión del fenómeno de la decoherencia y el desarrollo de formalismos matemáticos para estudiarla son esenciales. De acuerdo con los trabajos de Zurek et al., la decoherencia es un proceso que resulta de la interacción entre un sistema cuántico abierto y su ambiente (EID). Este proceso determina cuál es la base privilegiada, que define los observables que adquieren características clásicas y pueden interpretarse como propiedades que obedecen a la lógica booleana. Recientemente Castagnino et al señalaron la conveniencia de tomar en cuenta tres aspectos de la teoría: (i) la posibilidad de estudiar la decoherencia de sistemas cerrados (sin ambiente), (ii) el criterio para determinar cuál es el subsistema que decohere, y (iii) el cálculo de la base privilegiada móvil. Por otro lado, en la bibliografía se encuentran otros enfoques para describir tanto la decoherencia como la relajación de los sistemas cuánticos. Tal es el caso de los trabajos de Castagnino et al., según el cual la relajación es un proceso que resulta de la elección de los observables que tienen relevancia física en un sistema cerrado (SID), y que define los observables que adquieren características clásicas y pueden interpretarse como propiedades que obedecen a la lógica booleana. La existencia de ambos enfoques aporta puntos de vista distintos acerca de los fenómenos físicos de la decoherencia y de la relajación. En esta tesis se presenta una perspectiva basada en valores medios, que cambia el foco de interés del operador de estado a los valores medios. Dicha perspectiva da lugar a un esquema general que unifica los enfoques anteriores de decoherencia y relajación, sobre el cual se espera seguir trabajando para la incorporación de otros enfoques. Esta perspectiva, además, permite reconsiderar los tres aspectos señalados anteriormente: (i) incorpora el estudio de sistemas sin ambiente, (ii) explicita el carácter relativo de la decoherencia respecto de la elección de los observables relevantes y permite definir al "mundo" clásico emergente como un conjunto de observables, y (iii) provee caracterizaciones alternativas del tiempo de decoherencia y de la base privilegiada móvil. Por otro lado, se presentan aportes de naturaleza técnica sobre aspectos de la decoherencia, en particular se propone una técnica que permite calcular los tiempos de decoherencia y relajación a partir de la extensión analítica de funciones que dependen del Hamiltoniano.
La computación cuántica es un campo innovador en las ciencias de computación e información que actualmente se encuentra en vías de desarrollo con algoritmos e infraestructuras cada vez más elaborados. Este tipo de computación, en concreto la computación cuántica universal de puertas, posee un gran potencial de cálculo y, a lo largo de todo el proyecto, se detallan las características y propiedades que la hacen una computación alternativa y ventajosa frente a la computación clásica en problemas de cálculos masivos. Además de incluir la información más relevante sobre el contexto histórico de la mecánica cuántica, por la cual la computación cuántica se ha podido desarrollar, se introducen los conceptos principales de esta para la construcción de algoritmos con el paradigma de programación cuántico universal, analizando, a su vez, las ventajas que supone la utilización de dicho paradigma. También, se estudia el estado actual de la computación cuántica referente a tecnologías como los entornos de programación cuántica y las infraestructuras de máquinas cuánticas existentes de empresas relevantes como IBM o Microsoft. Una vez introducidos los conceptos fundamentales sobre computación cuántica, se detalla la construcción del algoritmo cuántico Quantum Counting con el cual se cuenta el número de soluciones de una determinada función objetivo abstracta, adaptable a muchos problemas reales, demostrando una ventaja cuántica frente a los algoritmos clásicos más eficientes que realizan el mismo trabajo. Análogamente, se investiga y se desarrolla un algoritmo cuántico muy reciente, más simple y eficiente que el Quantum Counting clásico, denominado Simpler Quantum Counting, el cual facilita la ejecución en ordenadores cuánticos reales por la reducción sustancial del número de operadores controlados. Estos dos algoritmos, el clásico y el simplificado, son ejecutados en simuladores y máquinas cuánticas utilizando funciones prueba con el correspondiente análisis de resultados. Finalmente, se enumeran una serie de aplicaciones prácticas del Quantum Counting útiles para la implementación de otros algoritmos cuánticos como el Quantum Amplitude Estimation o el algoritmo de Grover, además de otras utilidades en campos como la inteligencia artificial o problemas de explosión combinatoria, en los que la computación cuántica supone ventajas en cuanto a complejidad computacional. Abstract: Quantum computing is a breakthrough field in information and computation science whose quantum software and hardware are in a constant development process improving increasingly its possibilities. This type of computation, specifically the universal quantum gates computation, holds a great potential of calculation and its features and properties are explained all along the project, demonstrating the advantages against classical computation when it comes to massive calculation problems. Firstly, fundamental concepts of universal quantum computation are introduced focusing on algorithm construction using the quantum gate programming paradigm which advantages are analyzed. Also, an historic context of quantum mechanics is given to trace the evolution that brought quantum computing to reality. Moreover, quantum computing state-of-art is studied researching recent technologies as quantum programming environments and physical quantum devices of outstanding corporations as IBM or Microsoft. Once all fundamental concepts of quantum computing are explained, the construction of a quantum algorithm called Quantum Counting is detailed, whose purpose is to find the number of solutions of a given abstract function adaptable to real life problems. The quantum advantage of this algorithm is demonstrated by comparing it to the best classical algorithms with the same purpose. Then, a simplified version of the Quantum Counting algorithm is studied and implemented, named as Simpler Quantum Counting. It is a brand new quantum algorithm which reduces the number of controlled operators in its related quantum circuit easing, consequently, its physical execution in quantum machines. These two quantum algorithms, the classical version and the simplified one, are run in quantum simulators and physical quantum computers including their corresponding results and discussions. At last, several useful applications of the Quantum Counting are listed and presented as future jobs. Some of them are associated with other quantum algorithms implementation as Quantum Amplitude Estimation or Grover’s algorithm and the rest are aimed to artificial intelligence or combinatorial explosion problems where quantum computing is advantageous in terms of computational complexity.
La computación cuántica ha evolucionado desde una disciplina teórica hasta convertirse en una realidad tecnológica emergente. Aunque los principales proveedores en la nube ya ofrecen acceso a hardware cuántico real, su adopción en sistemas reales sigue limitada por importantes desafíos de software. Entre ellos se encuentran la heterogeneidad del hardware, los ecosistemas específicos de cada proveedor, los modelos de programación de bajo nivel, los elevados costes de ejecución, los tiempos de espera y la falta de metodologías de ingeniería comparables a las del desarrollo clásico. En este contexto, la Ingeniería del Software Cuántico (QSE) surge como un área clave para cerrar la brecha entre las tecnologías cuánticas y las prácticas consolidadas de la ingeniería del software. Esta tesis doctoral por compendio investiga cómo avanzar de forma sistemática en QSE en entornos de computación cuántica como servicio, acercando el desarrollo cuántico a paradigmas clásicos mediante abstracción y gestión eficiente de recursos. El trabajo propone reducir la fragmentación entre proveedores adaptando patrones y conceptos de la computación clásica. En particular, presenta: (i) un análisis de la heterogeneidad de las principales plataformas cuánticas y el diseño de una capa de acceso independiente del proveedor; (ii) mecanismos de traducción para la ejecución portable de circuitos; (iii) estrategias de consolidación de cargas de trabajo a nivel de circuito; y (iv) un modelo de ejecución híbrido que integra multi-programación y ejecución distribuida basada en disparos. En conjunto, la tesis demuestra que adaptar principios consolidados de ingeniería mejora la viabilidad y sostenibilidad de la computación cuántica.