Computación CuánticaIntroducción y Tendencias

Presentación

Francisco Gálvez

Licenciado en Física Fundamental (UV)Master en Física Avanzada (UV)

Cloud and Integrated Systems Expert

fjgramirez@es.ibm.com

@fjgramirez

Francisco J. Galvez Ramirez

Agenda El Computador Cuántico de IBM

Conceptos Básicos en Compuación Cuántica

Arquitectura Cuántica

Aplicaciones de la Computación Cuántica

IBM Quantum Experience

El Computador Cuántico de IBM

Computación Cuántica en el Cloud

Los Cientificos de IBM han construido un procesador cuántico que está al alcance de cualquier usuario a través de la primera plataforma de Computación Cuántica en el Cloud.

IBM Quantum Experience, permite la realización de experimentos y ejecución de algoritmos sobre un procesador cuántico real.

Marzo 2016

IBM Q es la nueva linea de computadors cuánticos de IBM

IBM anuncia que está trabajando en la construcción de un computador cuántico de 50 qubits y que en breve ofrecerá servicios de computación cuántica en el cloud

IBM anuncia IBM QMarzo 2017

Computadores Cuánticos Universales de 16 y 17 qubits

IBM está probando un prototipo cuántico de 17 qubits con fines comerciales

IBM ha comenzado a escalar la arquitectura

En tres años el objetivo es llegar a los 50 qubits

Primer Computador Cuántico comercialMayo 2017

Conceptos Básicos en Computación Cuántica

Principio de Incertidumbre

La medición de un estado del sistema modifica el sistema

Conceptos Básicos en Computación Cuántica

Superposición de Estados

El espacio de estados = stados base + cualquier superposición de dichos estados

Entrelazamiento Cuántico

Paradoja EPR – Existe una relación entre las propiedades de las particulas que están entrelazadas.

Decoherencia de Estados

Los estados coherentes tienen un comportamiento de estado único

Caracteríscas de un Computador Cuántico

1. Trabaja con Paralelismo Cuántico

2. Hace uso del Entrelazamiento

3. Mantiene la coherencia

4. Utiliza Bits Cuánticos (Qubits)

Que son los Qubits?Un qubit es el concepto cuántico de Bit.

• No se trata de ningún dispoisitvo. Es un concepto lógico que puede implementarse sobre un amplio rango de sistemas que tienen comportamiento cuántico

• Al igual que el bit, un qubit representa dos estados 0 y 1 (estados base)

Pero además un qubit es capaz de manejar todas las posibles combinaciones entre sus estados base 0 and 1

Operaciones Cuánticas

Un circuito cuántico básico trabaja con dos o más qubits

Equivalente a las puertas lógicas de los circuitos digitales

1. Las puertas cuánticas son reversibles

2. Matemáticamente se representan por matrices unitarias

3. Los qubits sobre los que actuan deben manterner su identidas cuántica.

1 1 1

2 1 -1

=

Hadamard Gate

Controlled-NOT gate

Puertas Cuántica

1 0 0 0

0 1 0 0

0 0 0 1

0 0 1 0

=

Computación Cuántica Adibática

La Computación Cuántica Adiabática está basada en el teorema adiabático y requiere que al menos un gran número de qubits (pero no todos), estén en un estado coherente durante el tiempo de proceso..

Implementan un algoritmo muy específico: “El Temple Cuántico”

Casos de Uso Problemas de Optimización.

Alcance Restringido

Capacidad Computacional Similar a los computadores clásicos actuales

Computación Cuántica Universal

La computación cuántica universal requiere coherencia entre todos los qubits que componen el sistema.

La Computación Cuántica Universal es el gran desafio. Tiene el potencial de ser exponencialmente más rápida que los computadores tradicionales para un gran número de aplicaciones en el mundo de la ciencia y también en el mundo de los negocios.

Casos de Uso Seguridad, Machine Learning, Criptografia, Químca Cuántica, Nuevos Materiales, Problemas de Optimizacion, Test de Dinámica Cuántica, Búsquedas.

Alcance Alcance más amplio

Capacidad Computacional Muy alta

Quantum Architecture

Para aprovechar la potencia de un procesador cuántico es necesario manterner una temperatura constante cerca del cero absoluto. Un refrigerador de la dilución, hecho de más de 200 componentes hace uso de las características de una mezcla de dos isótopos de helio para crear el ambiente necesario

La atenuación se aplica en cada etapa en el refrigerador para proteger los qubits del ruido térmico durante el proceso de envío de señales de control y lectura al procesador

La cámara de mezcla en la parte baja del refrigerador proporciona la energía de enfriamiento necesaria para llevar el procesador y los componentes asociados a una temperatura de 15mK - más frío que el espacio exterior

Minimizar las pérdidas de energía

Una de dos etapas de amplificación se enfría a una temperatura de 4 Kelvin

Tipos de Procesadores Cuánticos

Qubits de Spin – Electrones o espines nucleares sobre un sustrato sólido.

Circuitos Superconductores – Superposición de corrientes eléctricas alrededor de un superconductor.

Trampas de Iones – Iones atrapados en campos eléctricos

Circuitos Fotónicos – Los qubits son fotones sobre circuitos de silicio.

Qubits Superconductores

Circuito QED: Un qubit superconductor está fuertemente interaccionado con un solo fotón en una cavidad de microondas.

El esquema de acoplamiento del circuito QED se ha convertido en el estándar para acoplar y leer qubits superconductores a medida que los sistemas continúan escalando.

Tiempos de Coherencia en qubits superconductores

4 qubits/4 bus/4 readouts 8 qubits/4 bus/8 readouts

2 qubits/1 bus/2 readouts

IBM's new 17-qubit quantum computer

Arquitectura de los Qubits Superconductores de IBM

Resonator

Qubit de Código

Qubit de Test X

Qubit de Text Z

Arquitectura del Procesador Cuántico de IBM

• qubits 0, 1, 3 y 4 acoplados al qubit 2.• Las puertas de dos qubits involucran al qubit 2• Qubit 2 es el qubit target en las puertas CNOT

Q2

Q4

Q3

Q0

Q1

Q4

Q2

Q1

Q0

Q3

CR 4-2

CR 3

-4

CR 3-2 CR 1-2

CR 0

-1

CR 0-2

Arquitectura en Capas

Capa Física

Capa Lógica

Qubits Físicos

Entrada/SalidaFGPAs

Corrección de Errores

Ejecución de Algoritmos

Qubits Lógicos

Entrada/SalidaLógicas

Arquitectura del Procesador Cuántico de IBM

El Volumen CuánticoLa potencia de un computador cuántico no solo depende del número de qubitsSi queremos utilizar computadores cuánticos para resolver problemas reales, es necesario explorar un gran espacio de estados cuánticos. El número de qubits es importante, pero también lo es la tasa de error. En los dispositivos prácticos, la tasa de error efectiva depende de la precisión de cada operación, pero también de la forma en que se llevan a cabo las operaciones para resolver un problema particular, así como de cómo el procesador realiza estas operaciones. Aquí presentamos una magnitud llamada volumen cuántico que explica todas estas cosas. Puede verse como una representación del espacio del problema que estas máquinas pueden explorar.

El Refrigerador de Dilución

Temperatura de operación 15 mK Refrigeración de Dilución 3He + 4He

Algoritmos Cuánticos

Algoritmos Cuánticos

Algoritmo de Deutsch – Determina si una una función es constante o no.

Algoritmo de Shor – Factorización de grandes números.

Algoritmo de Grover – Búsquedas en espacios no estructurados.

Algoritmo de Deutsch

f1:

0 0

1 0

f2:

0 1

1 1

Algoritmo de Deustch-Josza Extensión del algoritmo de Deustch para registros de n valores

f3:

0 0

1 1 f4:

0 1

1 0

Algoritmo de Shor• ¿Número de pasos que un computador clasico debe ejecutar para

encontrar los factores primos de un numero N formado por x dígitos?

Crece exponencialmente con x

937 x 947 = N (fácil)

887339 = p x q (no tan fácil)La robustez de la factorización es la base de algoritmo RSA

En 2001, IBM y la Universidad de Stanford, consiguen ejecutar por primera vez el algoritmo de Shor en el primer computador cuántico de 7 qubits desarrollado en Los Álamos.

https://www-03.ibm.com/press/us/en/pressrelease/965.wss

Algoritmo de Grover

• ¿Cuantos intentos necesita una búsqueda de datos en una base de datos no ordenada de N elementos para localizar un elemento concreto?

Necesita un promedio de N/2 intentos

http://www.dma.eui.upm.es/MatDis/Seminario4/AlgoritmoGrover.pdf

Una computadora cuántica utilizando el algoritmo de Grover el promedio de intentos seria

Aplicaciones de la Computación Cuántica

Campos de aplicaciónCryptographyLa Computación Cuantica tiene el potencial de mantener claves privadas a salvo de hackers e intrusiones, no importa donde se almacenen o se procesen.

Medicine & MaterialsUn Computador Cuántico mimetiza la forma en la que la que opera la naturaleza. Puede simular y entender las moléculas y sus interacciones mejor que un computador clásico.

Machine LearningLa computación cuántica puede acelerar significativamente el aprendizaje automático y las tareas analíticas tales como el análisis topológico.

Searching Big DataRealizar busquedas ultrarápidas en la creciente cantidad de datos que se crean dia a dia, y establecer conexiones y relaciones de forma mucho más rápida que los ordenadores actuales.

Gobierno – Análisis de datos sensibles y criptoanálisis

Impacto sobre Industrias y Sectores

Industria Farmaceutica – Desarrollo de nuevos fármacos y tratamientos.

Telecomunicaciones – Comunicación más seguras entre redes.

Viaje y Transporte – Diseño de nuevos vehiculos y medios de transporte

Manufactura y Retail – Desarrollo de nuevos procesos y materiales

Servicios Financieros – Predicción de tendencias y riesgos de mercados$

Nuevas Tecnologías Cuánticas Relojes atómicos cuánticos

Sensores cuánticos

Enlaces cuánticos entre ciudades

Simuladores Cuánticos

Redes de comunicación más seguras

Computadores cuánticos universales

Timeline de las Tecnologías Cuánticas

IBM Quantum Experience

Que es IBM Quantum Experience?

Tutoriales a modo de guia para entender todos los experimentos cuánticos.

El quantum Composer, es una interfaz gráfica para el diseño y construcción de circuitos lógicos cuánticos

Un simulador para ejecutar los circuitos creados en el composer.

Acceso a un Procesador Cuántico real que está físicamente ubicado en el laboratorio de computación cuántica de IBM

Siempre en construcción: Una Comunidad Cuántica

La Librería de operaciones cuánticas

Bloques amarillos. Representan una operación vacia sobre un qubit durante un tiempo igual a la duración que tiene una puerta de un qubit

Bloques verdes. Representan un el grupo denominado operadores de Pauli.

Bloques azules. Representan operadores de Clifford. Se trata de las puertas H, S y S† las cuales pueden generar superposición cuántica

Bloques naranja. Representan puertas que son necesarias para un control universal (Non-Cliford gates).

El Quantum Composer

Es una interfaz gráfica para crear programas para el procesador cuántico

Permite la creación de circuitos cuánticos utilizando una libreria de puertas lógicas y unos puntos de medida bien definidos

Trabajando con el Composer

Interfaz gráfica para construir circuitos cuánticos de forma sencilla e intuitiva

Quantum Experience, como funciona?

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El Blog de Quantum Experience

Un blog cuyo objetivo es comunicar y compatir información entre una Comunidad Cuántica de usuarios

Gracias