estado del arte en computaciÓn cuÁntica (cc) con...

Preparación de Artículos revista VISIÓN ELECTRÓNICA: algo más que un estado sólido Fecha de envío: Agosto 2018

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ESTADO DEL ARTE EN COMPUTACIÓN CUÁNTICA (CC) CON

PLATAFORMAS OPEN SOURCE

STATE OF THE ART IN QUANTUM COMPUTATION (QC) WITH OPEN SOURCE PLATFORMS

Henry Mauricio Cárdenas Martínez1, Jhonatan Camilo Laverde Forero2, Gerardo

Castang Montiel3

Resumen: La idea que subyace al paradigma de la CC estriba en la capacidad de

almacenamiento de información en valores de amplitud que usan sistemas basados en

qubits o bit cuánticos –no en bits-, y en el procesamiento de la misma cuando se

requieren transformaciones para cambiar estas amplitudes de una manera precisa y

controlada. Por lo anterior, la descripción de los estados en una computadora

evoluciona obedeciendo a algoritmos distintos a los conocidos: corrigiendo errores y

digitalizando cálculos arbitrariamente precisos a través de recursos limitados. La

presente investigación documental, adelantada por el grupo de investigación Orión,

establece un estado del arte del conocimiento en CC cuyas plataformas de desarrollo

sean tipo open source. Se establece una metodología basada en índices para

categorizar y subcategorizar la CC, como lo son los fundamentos y antecedentes, la

historia de la CC, el concepto y su funcionamiento, empresas que implementan el

campo de la CC, las aplicaciones, plataformas que se manejan en la CC, la

arquitectura y por último, los lenguajes de programación. Identificación de bases de

datos como IEEE-Xplore, EBSCO, y sitios web, las fuentes donde ilustrar los

conceptos fundamentales y los desarrollos que empresas han concretado en 1 Tecnólogo en Sistematización de Datos. Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Colombia. Filiación institucional:

SPIRA S.A.S. Email: [email protected]. ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1193-0698 2 Tecnólogo en Sistematización de Datos. Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Colombia. Filiación institucional:

JAZZPLAT COLOMBIA. Email: [email protected]. ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3265-4175 3 Ingeniero Electrónico, Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Colombia. Docente Universidad Distrital Francisco

José de Caldas, Colombia. Email: [email protected]. ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9788-5121

aplicaciones usando este nuevo paradigma. Se identifican e interpretan las

plataformas open source orientadas a la educación como una línea de base para

futuras investigaciones.

Palabras clave: Bit, superposición, qubit, procesador, algoritmos, computación clásica.

Abstract: The idea underlying the CC paradigm lies in the storage capacity of

information in amplitude values that use systems based on qubits or quantum bits -not

in bits-, and in the processing thereof when transformations are required to change

these amplitudes in a precise and controlled manner. Therefore, the description of the

states in a computer evolves obeying algorithms other than those known: correcting

errors and digitizing arbitrarily precise calculations through limited resources. The

present documentary research, carried out by the Orion research group, establishes a

state of the art of knowledge in CC whose development platforms are open source. A

methodology based on indexes is established to categorize and subcategorize the CC,

as are the foundations and antecedents, the history of the CC, the concept and its

operation, companies that implement the field of CC, the applications, platforms that

are managed in the CC, the architecture and finally, the programming languages.

Identification of databases such as IEEE-Xplore, EBSCO, and websites, the sources

where illustrate the fundamental concepts and developments that companies have

specified in applications using this new paradigm. Open source platforms oriented to

education are identified and interpreted as a baseline for future research.

Key Words: Bit, overlap, qubit, processor, algorithms, classical computing



1. Introducción

La idea de la CC es almacenar información en los valores de amplitudes complejas 2N que

describen la función de onda de N sistemas de dos niveles (qubits), y procesar esta

información mediante la aplicación de transformaciones unitarias (compuertas cuánticas),

que cambian estas amplitudes de forma precisa y de manera controlada. Se estima que el

valor de N necesario para tener una máquina útil es 103 o más. Tenga en cuenta que incluso

21000 ~ 10300 es mucho mayor que la cantidad de protones en el Universo. [1]

No obstante, las computadoras cuánticas funcionan de manera similar a las computadoras

comunes pues ambas dependen del concepto de máquina de Turing; entonces conviene

introducir este concepto. La máquina de Turing es una tira de cinta infinitamente larga

dividida en cuadrados que son leídos por una máquina. Un dispositivo teórico que podía

desarrollar cualquier problema matemático representado por un algoritmo. La idea básica de

un sistema operativo. [2] En cada cuadrado hay un 0 o 1, o un espacio en blanco. Bajo este

mecanismo, donde la unidad básica de información, el bit, se representa como 0 o 1, se

interpreta un cabezal de lectura y escritura. Para el caso cuántico, esto significa que en

cualquier casilla puede haber un 0, 1 o ambos 0 y 1, y cada punto intermedio.

De otro lado, en la actualidad, los ambientes virtuales que por medio de software educativo

permiten generar una simulación de algún tema en específico donde el usuario tiene la

posibilidad de interactuar, han contribuido al desarrollo cognitivo y a potenciar nuevas

formas de pensamiento, [3]. Desde este punto de vista, los videojuegos en el ámbito de la

computación cuántica han aportado en la construcción del conocimiento y la formación de las

personas que estudian el tema, porque cuando video-juegan se hace necesaria la utilización

y la activación de estímulos relacionados con los dos hemisferios del cerebro, de manera

interactiva y mutuamente reforzada. La emoción, el instinto, la fantasía y el desorden nos

ofrecen la oportunidad de razonar, deducir, analizar y sintetizar con rigor.

El presente artículo describe la investigación documental que conduce a establecer un

estado del arte en CC y sus aplicaciones de acceso abierto enfatizando en las aplicaciones

realizadas en el marco de la CC, y qué organizaciones y su evolución se han destacado en

este campo.

2. Metodología

La categorización del tema central se delimitó así: fundamentos y antecedentes históricos de

la computación cuántica; conceptos y funcionamiento de la CC; las plataformas de

computación cuántica de acceso libre que se construyeron en Norte América y Europa entre

los años 2016 y 2018; la arquitectura general de las plataformas; los lenguajes de

programación para software cuántico -Quipper, ScaffCC/Scaffold, QWire-, entre otros; el

sector empresarial que trabaja con la CC y finalmente las tendencias, perspectivas y desafíos

de la CC. Se utilizó el Método por índices para la construcción de la revisión [4]. La figura 1

establece las categorías y las subcategorías mencionadas. El aval de esta metodología fue

por análisis de expertos del Grupo de Investigación Orion de la Universidad Distrital

Francisco José de Caldas.

Figura 1. Metodología implementada.



3. Desarrollo del tema

3.1 FUNDAMENTOS Y ANTECEDENTES

El pensamiento cuántico se venía dando con paradojas en campos matemáticos como en el

caso de David Hilbert en su famosa dirección de 1900. Mantuvo como uno de los grandes

problemas matemáticos durante más de medio siglo, hasta que finalmente fue "resuelto". El

propio Cantor creía que no había infinitos intermedios, y llamó a esta conjetura la Hipótesis

del Continuum. Cantor estaba extremadamente frustrado consigo mismo por no poder

demostrarlo [5]. Pero ¿Por qué nace el deseo de investigar otras leyes y diferentes teorías a

la tradicional clásica? Bueno pues, se descubrió que las leyes de Newton y Maxwell son una

aproximación a esta teoría más general de la física cuántica.

La aproximación clásica de la mecánica cuántica se mantiene muy bien en la escala

macroscópica de objetos como planetas, aviones, balones de fútbol o incluso moléculas.

Pero en la "escala cuántica" de los átomos, electrones y fotones individuales, la aproximación

clásica se vuelve muy imprecisa, y la teoría de la física cuántica debe tenerse en cuenta [6].

Sin embargo, en el campo de la CC no todo pueden ser ventajas. Esta nueva tecnología

afronta retos y dificultades que aún no han podido ser solucionadas. En sí, los principales

problemas que limita a la CC es el sobrecalentamiento por la cantidad de operaciones y

procesos que se usan en el código y el problema de tolerancia a errores. [7], [8]. Las tres

líneas iteran un número exponencial de veces (2n / 2) al factorizar un número de n bits. Esto

conduce a un gasto exponencial de energía, dado el modelo termodinámico kT de energía

mínima por operación binaria. Los qubits son muy vulnerables a los errores, por lo que se

necesita un código de corrección de errores cuánticos (QECC) para construir una

computadora cuántica confiable.

Todo el desarrollo se ha venido dando desde tiempos mucho antes de que se vinieran a

implementar los prototipos actuales; es decir, anteriormente ya se venían dando posturas de

cómo sería un sistema cuántico pero que a la final aún no estaba en desarrollo.

Aproximadamente desde el año 1900, existe un modelo teórico de la computación cuántica,

producto de la investigación de varios años; pero por diferentes motivos aún no se ha dado

su salida a la luz pública como el camino a la tecnología de la nueva era, rompiendo

paradigmas de la computación tradicional, y abriendo la puerta al mundo cuántico.

La mecánica cuántica surge como necesidad para explicar hechos inexplicables en el mundo

de la mecánica clásica. Cuando se intenta utilizar la mecánica y la electrodinámica clásicas

para explicar los fenómenos atómicos, los resultados a que conducen se encuentran en

franca contradicción con la experiencia [9]. Si se implementa la mecánica cuántica para la

explicación a lo “inexplicable” la computación cuántica es un nuevo campo fascinante en la

intersección de la informática, las matemáticas y la física, que se esfuerza por aprovechar

algunos de los aspectos extraños de la mecánica cuántica para ampliar nuestros horizontes

computacionales [10]. Sin embargo, aparte de los ejemplos conocidos, encontrar una

aplicación de computación cuántica es un desafío. Diseñar un buen algoritmo cuántico es

una tarea desafiante. Esto no deriva necesariamente de la dificultad de la mecánica cuántica.

Más bien, el problema radica en nuestras expectativas: un algoritmo cuántico debe ser más

rápido, computacionalmente menos complejo que cualquier algoritmo clásico conocido para

el mismo propósito [11].

3.2 HISTORIA.

Las computadoras cuánticas se inventaron en la década de 1980 por Richard Feynman y sus

colegas, pero recientemente han logrado que se vuelvan capaces de funcionar tan bien como



las supercomputadoras [12] . En 1994, Peter Shor ideó un algoritmo cuántico que calcula los

factores primos de un gran número de manera mucho más eficiente que una computadora

clásica. [13].

Como tal la primera persona que propuso una teoría fue Paul Benioff del Laboratorio

Nacional Argonne donde aplicó por primera vez la teoría cuántica a las computadoras en

1981 [14] esto con el fin de aprovechar las leyes cuánticas en el entorno de la computación.

En vez de trabajar a nivel de voltajes eléctricos, se trabaja a nivel de quantum. [15].

En 1985 David Deutsch dio una base matemática sólida a la propuesta de Feynman.

Deutsch explicó cómo podría funcionar una computadora cuántica universal y describió su

funcionamiento como secuencias de operaciones elementales sobre qubits [16]. Para

1993 Dan Simon desde el departamento de investigación de Microsoft, surgió un problema

teórico que demostraba la ventaja práctica que tendría un computador cuántico frente a uno

tradicional [17]. En 1993, Charlie Bennett junto con sus compañeros del Centro de

Investigación Watson del IBM en Nueva York mostraron cómo transmitir información cuántica

de un punto del espacio a otro sin atravesar el espacio intermedio. Desde entonces se han

conseguido batir distintas marcas de distancias. El récord está ahora en unos 100 km) [18].

Después del trabajo pionero de D. Deutsch, el cálculo cuántico aún permanecía una

curiosidad marginal en la teoría hasta 1994, cuando Peter W. Shor presentó sus algoritmos

cuánticos para factorizar enteros y extracción de logaritmos discretos en tiempo polinomial

[19]. En el año de 1996 Lok Grover crea un algoritmo el cual lleva su nombre y es usado en

computación cuántica para la búsqueda en una secuencia no ordenada de datos y con una

necesidad adicional de espacio de almacenamiento. [20] En 1997 se iniciaron los primeros

experimentos prácticos y se abrieron las puertas para empezar a implementar todos aquellos

cálculos y experimentos que habían sido descritos teóricamente hasta entonces. El primer

experimento de comunicación segura usando criptografía cuántica se realiza con éxito a una

distancia de 23 Km. Además se realiza el primer teletransporte cuántico de un fotón. [21]

Tiempo después en el año de 1998 Isaac Chuang dirige el grupo de Berkeley que desarrolla

la primera computadora cuántica de 1 qubit [19]. Durante ese mismo año, nació la primera

máquina de 2-Qbit, que fue presentada en la Universidad de Berkeley, California (EE.UU.)

Un año más tarde, en 1999, en los laboratorios de IBM-Almaden, se creó la primera máquina

de 3-Qbit y además fue capaz de ejecutar por primera vez el algoritmo de búsqueda de

Grover [21].

En el 2000 se tenía el ordenador cuántico de IBM con más potencia tiene con 'solo' 5 qubits

de capacidad, pero el objetivo que se propusieron es poder construir uno con 50 qubits, algo

que superaría a los súper ordenadores más potentes del momento. Sin embargo, para

conseguir toda esa potencia también necesitan mejorar la protección de los qubits. Dado que

son muy delicados y necesitan funcionar a temperaturas cercanas al cero absoluto, cualquier

cambio de temperatura podría desestabilizarlos y producir errores de cálculo [22].

IBM y la Universidad de Stanford, consiguen ejecutar por primera vez el algoritmo de Shor en

el primer computador cuántico de 7-Qbit desarrollado en Los Álamos. En el experimento se

calcularon los factores primos de 15, dando el resultado correcto de 3 y 5 utilizando para ello

1018 moléculas, cada una de ellas con 7 átomos [23]. El Instituto de “Quantum Optics and

Quantum Information” en la universidad de Innsbruck (Austria) anunció que sus científicos

habían creado el primer Qbyte, una serie de 8 Qubits utilizando trampas de iones [24].

En el 2006 teóricos y experimentales en el Instituto de Computación Cuántica (IQC) y el

Instituto Perimeter de Física Teórica (PI) en Waterloo, junto con MIT, Cambridge,

presentaron un método de control operacional en el procesamiento de información cuántica



que se extiende hasta 12 qubits lo decodificaron utilizando procesadores de información

cuántica de resonancia magnética nuclear de estado líquido [25].

En septiembre de 2007, dos equipos de investigación estadounidenses, el National Institute

of Standards (NIST) de Boulder y la Universidad de Yale en New Haven consiguieron

unir componentes cuánticos a través de superconductores. De este modo aparece el

primer bus cuántico, y este dispositivo además puede ser utilizado como memoria

cuántica, reteniendo la información cuántica durante un corto espacio de tiempo antes

de ser transferido al siguiente dispositivo [26].

Según la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) de los EEUU, un equipo de científicos

consiguió almacenar por primera vez un Qubit (el equivalente a un "bit" del "mundo

clásico", pero en el "mundo cuántico") en el interior del núcleo de un átomo de fósforo, y

pudieron hacer que la información permaneciera intacta durante 1.75 segundos. Este

periodo puede ser expansible mediante métodos de corrección de errores, por lo que es

un gran avance en el almacenamiento de información [27].

Leonardo DiCarlo, un argentino radicado en Holanda y profesor de física en la Universidad

Tecnológica de Delft, considerado una eminencia con sus apenas 38 años, en 2009,

mientras terminaba sus estudios en la Universidad de Yale, EEUU, creó en equipo el primer

procesador cuántico de estado sólido. "Se había hecho en sistemas atómicos y moleculares,

pero logramos crear un mini procesador con un circuito integrado", menciona [28].

Ya en el 2011 La primera computadora cuántica comercialmente disponible en el mundo, que

utiliza los principios de la mecánica cuántica en lugar de la mecánica clásica, se vendió a la

empresa aeroespacial, de defensa y seguridad Lockheed Martin [29].

Por ultimo cabe mencionar que durante las últimas dos décadas, el laboratorio de Vuckovic

ha tratado de desarrollar nuevos tipos de chips de computadora cuántica. Recientemente, ha

unido fuerzas con otras en todo el mundo para probar tres formas diferentes de aislar

electrones para interactuar con los láseres. [30]

3.3 CONCEPTO Y FUNCIONAMIENTO

Las normas y comportamientos que rigen la computación cuántica son muy diferentes al

enfoque clásico. Hay que partir de que estos sistemas ya no son deterministas sino

probabilísticos. La nueva tendencia de medida y factor clave va a ser la probabilidad y la

entropía. La entropía de von Neumann de una superposición de qubits mide la distribución de

las probabilidades. Describe la salida del estado de un estado puro. Para un estado puro, no

hay incertidumbre durante la medición. Cuanto mayor es la entropía, mayor es la

incertidumbre durante la medición [31].

Un punto vital y muy relevante en la computación cuántica (y ya para ver un cambio respecto

al enfoque clásico) es definir este término como un paradigma, el cual tiene un diferente

enfoque al de la computación clásica. Esta rama a tratar se basa en el uso de qubits el cual

puede ser 0, puede ser 1 y puede ser 0 y 1 a la vez, siendo esta una ventaja para poder

realizar múltiples operaciones de forma simultánea según el número de qubits. Caso opuesto

al de la computación digital o clásica que maneja bits y solamente pueden tomar los valores

de 0 ó 1 [32].

En la física clásica podemos decir que la F= ma (Fuerza = masa * aceleración) pero para la

física cuántica esto presenta una indefinición tanta con el transcurrir del tiempo que no

podemos asegura esto en una partícula, no puedo ver el estado real de la partícula como del

sistema en sí. Esto se tiene que determinar por medio de la probabilidad de que una partícula



este en un estado o en otro. El modelo de computación cuántica habla de la superposición, o

sea tener más de una posición en un momento dado, pero como hago para saber la posible

posición, esto se basa en la probabilidad [33]. La información cuántica es en cierto sentido

una combinación de dos piezas de información clásica, información sobre dos observables

físicos que son complementarios en el sentido expuesto por Bohr y ejemplificado por la onda

dualidad de partículas en el experimento de doble rendija [34].

Figura 2. Efecto túnel. La parte superior de la figura representa la situación descrita por la física clásica. La

parte inferior de la figura representa la situación que describe la física cuántica [35].

3.4 COMPAÑÍAS QUE IMPLEMENTAN FÍSICA CUÁNTICA

En la actualidad, la computación cuántica ha ido avanzando progresivamente pero que a su

vez es un estudio complejo que tiene varias contraindicaciones. La tecnología va avanzando

rápidamente y algunas compañías como IBM [36], Google, Microsoft Corp., la canadiense D-

Wave Systems Inc. [37] la cual cabe destacar que en Canadá, fue la primera en el mundo en

vender computadoras cuánticas. También están surgiendo varios otros estudios de

computación cuántica, entre ellos el spin-offionQ de la Universidad de Maryland, que está

desarrollando una computadora cuántica de iones atrapados, y PsiCorp, fundado por

investigadores de la Universidad de Bristol, que está desarrollando una computadora

cuántica fotónica utilizando chips de silicio. [38] Y la startup Rigetti Computing [39], con sede

en California, están esforzándose por crear máquinas que las empresas puedan usar [40].

Por ejemplo, en el caso de IBM, su objetivo es construir computadores cuánticos de

aplicabilidad práctica en el mundo de la ciencia y de los negocios [41], o en el caso de google

con el Dubbed Bristlecone, que es un sistema de 72 qubits [42], con el que se quiere llegar a

la supremacía cuántica; Microsoft implementando algoritmos que simulen comportamientos

de una computadora cuántica como el software LIQUI [43] y los 2000 qubits de D-Wave, el

D-Wave 2x está considerado como uno de los ordenadores más avanzados y sofisticados de

la actualidad [44].

Todas estas compañías avanzan en sus investigaciones y compiten entre las mismas por

tener el mejor resultado posible. Esto nos lleva a que posiblemente en algunos años

podamos presenciar un ordenador cuántico como tal y ya no solo sea un hecho ficticio.

Inclusive la IEEE [45] ya están intentando estandarizar las nuevas tecnologías y protocolos

que se implementarán posteriormente con la computación cuántica [46].

3.5 APLICACIONES DE LA COMPUTACIÓN CUÁNTICA

A continuación se podrá conocer las principales plataformas de acceso libre sobre

computación cuántica en el cual el usuario puede ingresar e interactuar de forma gratuita. La

idea de analizar este tema, se generó por una investigación que se realizó por autoría propia,

donde se realizó un estudio y análisis en la universidad Distrital Francisco José de Caldas

facultad tecnológica en el pregrado de Ingeniería en Telemática, en forma de un artículo



donde se evidencia que con la herramienta Quantum Game el cual es una herramienta de

acceso libre, se lograba complementar y ayudar a fomentar el conocimiento de lo que es la

computación cuántica; con los resultados que se obtuvieron, se puede deducir que

efectivamente los estudiantes relacionan de una forma mejor esta rama de la física y

tecnología con la ayuda de aplicaciones complementarias, por lo tanto se procedió a

investigar que otras herramientas existen y cuál es el enfoque de cada una.

PRIMER JUEGO CUÁNTICO CAT-BOX SCISSORS

Figura 3. Interfaz primer juego cuántico “Cat/box/scissors”)

Básicamente es una versión cuántica de piedra / papel / tijeras. Este tiene cinco bits

cuánticos. Uno de ellos actuará como árbitro y nos dirá quién gana. Los otros cuatro son

todos oponentes potenciales. Aunque solo jugaremos contra uno a la vez. Para hacer un

juego de bits cuánticos, hemos visto el conjunto de cosas que podemos hacerles. Como

inspiración, podemos ver lo que es posible para bits normales. Lo más simple que podemos

hacer con un bit normal se llama puerta NOT. Cambia bits de 0 a 1 y de 1 a 0. Las

computadoras cuánticas pueden hacer esto, pero también pueden ser un poco más

sofisticadas. Por ejemplo, pueden hacer NOT la mitad, dejando el bit cuántico en un extraño

estado de limbo entre 0 y 1. Una superposición cuántica, como el gato de Schrödinger.

El juego está disponible en dos versiones, el juego se juega mejor usando la versión de

ProjectQ (usando el archivo .py). También se puede jugar directamente utilizando la interfaz

de IBM Quantum Experience (usando el archivo .qasm). En cualquier caso, necesitará una

cuenta de Quantum Experience para acceder a su dispositivo [47].

3D PUZZLES

Figura 4. Interfaz juego cuántico “3D Puzzles”

El investigador del instituto Riken en Saitama (Japón) Simon Devitt, que ha desarrollado un

juego en línea que podría jugar un papel decisivo en el futuro de la programación cuántica.

No sólo puede el juego ayudar a los humanos a crear mejores programas, también podría

ayudar a una nueva generación de máquinas de inteligencia artificial a asumir esa tarea. Ha

desarrollado una potente manera de visualizar los programas cuánticos como cuadrículas en

3D con secciones entrelazadas que representa cómo se almacena y procesa la información.

Para optimizarlos hay que simplificar la cuadrícula al mover, encoger, estirar y reconfigurar

las secciones entrelazadas de forma que preserven la misma topología [48].



QUANTUM AWESOMENESS

Figura 5. Interfaz juego cuántico “Quantum awesoness”

Quantum Awesomeness es un juego de rompecabezas simples. Cada rompecabezas está

formado por una cuadrícula de puntos de colores con números en cada punto. Cada punto

debe tener un color y número similares a uno de sus vecinos. El trabajo del jugador es

buscar estas similitudes y usarlas para emparejar todos los puntos. Este es el objetivo para

el jugador. Habrá una condición de Game Over cuando los rompecabezas se vuelvan

demasiado duros. Entonces el jugador debe tratar de pasar tantas rondas como sea posible

antes de que eso suceda [49].

HELLO QUANTUM

Figura 6. Interfaz juego cuántico “Hello quantum”

Hello Quantum es un juego de rompecabezas diseñado para enseñar los principios

introductorios de la computación cuántica. Este juego fue diseñado en IBM Research en

Yorktown Heights, Nueva York en colaboración con el profesor James Wootton University of

Basel, Suiza [50].

MEQANIC

Figura 7. Interfaz juego cuántico “Meqanic”

Meqanic, es un juego de rompecabezas basado en la física que enfrenta contra el Universo.

Meqanic no se evidencia como un juego; es un simulador de mecánica cuántica completo y

preciso. Este es diferente a cualquier otro juego que se haya jugado. Meqanic tiene reglas,

pero NO son intuitivas porque están basadas en las leyes cuánticas que rigen el Universo

mismo. Depende de cada jugador resolverlos sobre la marcha. Ser bueno en Meqanic

requiere un cambio fundamental en la forma de pensar. Meqanic es un juego desafiante con

infinita complejidad y significado [51].

QUANTUM GAME

Figura 8. Interfaz juego cuántico “Quantum game”



Se trata de un juego en el que fotones, espejos, detectores, filtros polarizadores y otros

elementos interactúan sobre una mesa. Cada nivel del juego plantea un problema y sólo hay

que colocar los componentes de la forma correcta –sabiendo lo que hace cada uno de ellos–

para resolverlo y pasar al siguiente nivel. Es una especie de «simulador de física cuántica»,

donde cada componente se comporta más o menos como lo haría en el mundo físico.

Muchos de los conceptos e ideas de algunos de los niveles del juego se utilizan en

computación cuántica [52].

IBM QUANTUM COMPUTING

Figura 9. Interfaz plataforma cuántica “IBM QUANTUM COMPUTING”

Lanzado en marzo de 2017, IBM señaló que Q es una iniciativa para construir sistemas de

computación cuántica universales disponibles comercialmente para aplicaciones comerciales

y científicas. Los sistemas y servicios IBM Q se entregarán a través de la plataforma IBM

Cloud. IBM abrió por primera vez el acceso público a sus procesadores cuánticos hace un

año, para servir como una herramienta de habilitación para la investigación científica, un

recurso para las aulas universitarias y un catalizador de entusiasmo para el campo. [53].

3.6 ARQUITECTURA DE LAS PLATAFORMAS DE COMPUTACION CUANTICA

La maquinaria de computación cuántica física de la actualidad (que recuerda a las primeras

computadoras clásicas de la década de 1940) es grande en tamaño. Requiere un entorno

físico especial y condiciones para funcionar correctamente. Se compone de cinco capas, tres

de las cuales contienen hardware y circuitos puramente cuánticos y dos consisten en

hardware y software clásicos:

1. Capas cuánticas Se puede pensar que estas capas comprenden la Unidad de

Procesamiento Cuántico (QPU).

(a) Módulos físicos: incluye hardware cuántico que normalmente hace uso de bucles

superconductores para la realización física de qubits. Además, también contiene el

acoplador qubit físico / circuito de interconexión entre otros elementos que son

necesarios para las operaciones de control y direccionamiento de qubit.

(b) Puertas lógicas cuánticas - Circuitos físicos [16, x5.5] que conforman compuertas

lógicas quántum.

(c) Interfaz clásico-cuántica. Incluye el hardware y el software que proporciona la

interfaz entre las computadoras clásicas y una QPU.

2. Capas Clásicas

(a) Entorno de programación cuántica: proporciona elementos tales como: i) el

lenguaje de ensamblaje quantum necesario para instruir a una QPU, ii) las

abstracciones de programación necesarias para escribir programas cuánticos en un

lenguaje de programación de alto nivel y iii) compatibilidad con simuladores así como

IDEs, etc.

(b) Aplicaciones comerciales: Aplicaciones de software Quantum escritas para

satisfacer los requisitos comerciales. [54]



Figura 10. Arquitectura de plataformas de computación cuántica

3.7 LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN CUÁNTICOS

En los últimos años se propusieron varios lenguajes de programación cuántica, desde

imperativo hasta funcional y de bajo nivel hasta alto nivel. Lenguajes como Quipper, ScaffCC

/ Scaffold, LIQUiji, QWire, Quil, Q # y ProjectQ permiten la programación de computadoras

de cuantía. Quipper es un lenguaje de programación cuántica funcional fuertemente tipado,

integrado en Haskell; Scaffold es un lenguaje de programación independiente tipo C y su

compilador ScaffCC aprovecha el marco LLVM; QWire está integrado en el sistema de

prueba Coq; LIQUiji está incrustado en F #; Q # es un lenguaje independiente tipo F #, y

ProjectQ y Quil están integrados en Python. Todos los idiomas mencionados ofrecen marcos

extensibles para la descripción y manipulación del circuito cuántico, y algunos de ellos

ofrecen descomposición de compuertas y métodos de optimización de circuitos, algún flujo

de control clásico, y la exportación de circuitos cuánticos para fines de representación o

costeo de recursos.

Teóricamente, sería suficiente si un lenguaje de programación para computación cuántica

soportara el conjunto de puerta del hardware objetivo. La similitud entre dicho enfoque y el

lenguaje de ensamblaje clásico trajo a la existencia lenguajes de ensamblaje cuántico tales

como QASM y OPEN-QASM. Si bien es suficiente para el hardware cuántico actual, que es

capaz de realizar algunas operaciones de compuerta en menos de 20 qubits, la

programación en dicho lenguaje no es ni escalable ni particularmente fácil de usar. Más bien,

un lenguaje de programación cuántica debería proporcionar abstracciones de alto nivel para

acortar los tiempos de desarrollo y permitir la portabilidad en una amplia gama de backends

de hardware cuántico, similar a los compiladores actuales para lenguajes de alto nivel

clásicos como C ++. Además de las subrutinas puramente clásicas y puramente cuánticas,

los algoritmos cuánticos típicos también requieren que se evalúen las funciones clásicas en

una superposición de entradas, por ejemplo, la exponenciación modular en el algoritmo de

Shor para la factorización.

3.8 TENDENCIAS, PERSPECTIVAS Y DESAFÍOS DE LA CC

Figura 11. Línea de tiempo tecnologías cuánticas 2.015 - 2.035



Si se construye el ordenador en mentes criminales no solo afectaría la seguridad sino que

tendrían el poder de responder y replantear soluciones a enigmas que no son lo

suficientemente claros y descritos por la ciencia. Es clara la realidad que vive la ciencia por

implementarlo y de las organizaciones por las cantidades exorbitantes de dinero que

destinan para este elemento, aún no se sabe cuándo se podrá disponer de este computador

se calcula que en unos 25 a 35 años se tendrían en cada hogar del mundo, por el

momento solo se debe esperar a que la ciencia avance lo necesario como para resolver

cuestionamientos que aún no poseen soluciones efectivas. Actualmente el problema de

crear un computador cuántico es de mantener su estabilidad en el tiempo, donde cada

físico al agregar un qubit más la tarea de ingeniería se hace más laboriosa. Al agregar más

qubits se hace más vulnerable el factor de la decoherencia, en donde el estado del qubit se

degrada. La decoherencia puede ser ocasionada por las interacciones con el mundo y se

generan problemas para mantener la coherencia en el sistema por más de varios segundos.

Sin embargo se han dado varios progresos, en 1995 en la US Instituto Nacional de

Estándares y Tecnología se construyó la primera compuerta cuántica de dos qubits y en el

2005 un equipo liderado por el profesor Rainer Blatt en el Instituto de Física Experimental

en Austria construyó un prototipo de computador cuántico utilizando unos pocos iones de

calcio. Su grupo estaba en un nivel de enredamiento de ocho iones de calcio, lo máximo [9].

El National Institute of Standards and Technology dispone de un programa específico de

computación cuántica que al igual que el de la prestigiosa Universidad de Yale pretenden

ofrecer avances reales en este complicado campo que podría revolucionar la informática a

medio plazo. Por primera vez se ha conseguido unir dos de esos procesadores cuánticos

mediante un enlace de circuitos superconductores, creando una cavidad a través de la cual

se transmitían los datos cuánticos. Para lograr las propiedades de superconducción todo el

dispositivo fue enfriado a bajas temperaturas. La importancia de este descubrimiento reside

en el hecho de que este tipo de bus cuántico será utilizado con mucha probabilidad en los

computadores cuánticos del futuro o al menos, será la base de los futuros buses de

comunicación y ahora centrarán sus investigaciones en la estabilidad de las

comunicaciones con más de 6 qubits, que fue la referencia inicial que sí funcionó

sin problemas.

Los mayores retos que tiene actualmente el computador cuántico es el aislamiento del qubit

ya que cualquier contacto con su mundo macroscópico rompe la coherencia lo que haría

posible hasta su mera observación, por lo tanto, es necesario mantener al qubit totalmente

aislado para ello hay que retenerlo con una trampa iónica, es decir, mantenerlos suspendido

entre campos magnéticos y ases de rayos lásers esto hace muy difícil imaginar que aspecto

tendrá el computador cuántico. [55]

4. Conclusiones

Se investigó el estado del arte sobre las aplicaciones que se han creado relacionadas a

computación cuántica y estas como ayudan a mejorar el aprendizaje de este tema en los

estudiantes, por lo tanto se citó un artículo adicional de autoría propia, donde se evidencia

una investigación la cual refleja que las herramientas de licencia libre si son útiles en el

momento de aprendizaje, siendo el foco de análisis los estudiantes de la Universidad

Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica del pregrado Ingeniería en

telemática, donde se evidencia que el 80% de los encuestados afirmaron que Quantum

Game, aclaró definiciones de la computación cuántica, asi mismo se preguntó si la

plataforma de IBM y Quantum Game fueron una ayuda complementaria para la materia de



computación cuántica, el 65% afirmo que si fueron útiles. Cabe resaltar que el 75% de los

encuestados se les facilitó el aprendizaje de la herramienta Quantum Game.

Por otra parte se logró conocer las empresas que se dedican a investigar o realizar aportes a

la ciencia en cuanto a computación cuántica y asi mismo que desarrollos han generado,

evidenciándose que las compañías pioneras en este tema se encuentran ubicadas en Norte

América tales como IBM, Google y DWave Systems. Por último se evidenció que la

computación cuántica es un tema que las compañías y científicos pretenden seguir

investigando para poder superar las creaciones existentes como el ordenador de 2000 qubits

de la compañía D-Wave, el cual es considerado como uno de los ordenadores más

sofisticados en la actualidad.

Finalmente en una línea de tiempo entre el 2.015 y el 2.035, se tiene un planteamiento en el

que se dice que probablemente en cada hogar se pueda contar con un computador cuántico

para el uso diario, otra incógnita que no es clara es hasta que limite de qubits, los científicos

lograrán crear para los computadores cuánticos.

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