COMPUTADORAS CUANTICAS
UNA EXPOSICIÓN POR: ÁLVAREZ MONTES TEO, CASTRO ORESTES, PYLYPCHUK
SANTIAGO Y SILVA VITO
CASTRO ORESTES:
CUBITS
¿QUÉ ES?
• Un cubit es la unidad básica de almacenamiento cuántico, es similar a un bit pero tiene la
particularidad de que puede adoptar mas de 2 estados y al mismo tiempo. Esto lo convierte
en una herramienta interesantísima para la informática. Funciona según el principio de
superposición, donde una partícula puede adoptar mas de un estado a la vez y este va a
tender hacia uno cuando se la mida
¿CÓMO FUNCIONA?
• Antes de medirlo, el cubit se encuentra en todos los estados posibles, no solo en 1 o 0, si no en
todo lo que se encuentra dentro de ellos. Se puede expresar como un eje cartesiano de 3
dimensiones, con |0 >, |1 > e i. El cubit va a tomar los estados dentro de ese eje, y se puede
representar mediante una esfera de Bloch
• Al medirlo, el cubit va a adoptar un estado, la
probabilidad de que esto pase no es siempre 50% y
50%, se puede, mediante compuertas, alterarla. Cuando
el cubit consigue un valor se comporta como un bit, pero
se lo puede hacer ir adoptando varios estados para
crear programas cuánticos
MIDIENDO UN POCO MÁS
• Un cubit puede estar en un estado superpuesto de 0 y 1, pero cuando lo mida va a proyectar
en uno de ellos, dependiendo de en que proporción se encuentre va a ser la probabilidad de
tener 0 o 1. Pero esto midiendo en el eje vertical de la esfera, también lo podemos hacer en
otros ejes, como el horizontal
• Si lo mido en horizontal los resultados van a
ser o izquierda o derecha, lo que
corresponde a sumar o restar
equitativamente 0 y 1. Por esto mismo si
medimos primero en un eje luego no vamos
a poder medir en el otro, porque están
relacionados. Esto sigue el principio de
Incertidumbre de Heisenberg
PROPIEDADES DE LOS CUBITS
• Una de las mejores ventajas de los cubits es que su crecimiento es de forma exponencial, con
3 bits yo tengo 3 espacios para almacenar, pero con 3 cubits tengo 8 (23 ). Por eso con pocos
cubits puedo lograr mucho poder de procesamiento
• Los cubits no se manipulan mediante matemáticas
discretas como lo hacen los bits, si no mediante
algebra lineal, un cubit no es un estado, si no un
vector [2 x 1]. Por eso su manera de manipular no
es siguiendo lógica si no calculando las
probabilidades de una matriz
INTERACCIÓN
• Al igual que las ondas, los cubits pueden interactuar constructiva o destructivamente, pero esto
no lo hacen midiendo su posición, si no con su amplitud de posibilidad, que, elevada al
cuadrado, es la posibilidad de encontrar un cubit en un estado. En un sistema de 1 cubit las
amplitudes de posibilidad son |0 >:
1
2
; |1 >:
• Si yo tengo 2 cubits estas amplitudes de
posibilidad interactuaran, pero si algunas son
negativas (que pueden serlo) lo van a hacer
de manera destructiva, por lo que se anularan
y de esta manera se podrá conseguir un
estado especifico
1
2
COMPUERTAS CUÁNTICAS
• A diferencia de los bits que interactúan con compuertas lógicas, los cubits interactúan con
compuertas cuánticas, estas son mas complejas y se encargar de cambiar la posibilidad de
los estados cuánticos
Negación:
Hamarad:
Esta es la única que es igual a la lógica, invierte Es comparable a la AND y su manera de actuar
los dos estados del cubit y devuelve una matriz
es la siguiente, si la entrada es 1 da como
exactamente al revés que la original
resultado las dos partes positivas. Si es 0 el 1 es
negativo
ENTRELAZAMIENTO
• Esta es una propiedad interesante, se pueden entrelazar 2 qubit para que el estado de cada
uno dependa del otro, cada operación que se haga sobre uno va a afectar al otro, lo que
permite conocer el estado de un qubit sin medirlo
• Para generarlo se requiere una compuerta
llamada control not con un cubit en modo de
control y uno donde se realiza la operación
(como un transistor). El problema es que este
entrelazamiento se rompe muy rápido
porque requiere que los qubit tengan la
decoherencia correcta
VENTAJAS Y DESVENTAJAS
VENTAJAS:
• Los cubits son potencialmente mas
potentes que los bits
• Los cubits puede simular sistemas de
muchas posibilidades
DESVENTAJAS:
• Los cubits son muy difícil de
mantener entrelazados
• Los cubits no son efectivos para
realizar operaciones simples
TEO ALVAREZ MONTES:
ALGORITMOS CUÁNTICOS
¿QUÉ SON?
• Un algoritmo cuántico es la ejecución de una serie de compuertas
cuánticas sobre entidades, que pueden ser qubits o quregistros,
seguida de una toma de medición.
• Para simular un algoritmo cuántico, luego de una inicialización de la
máquina de estados y de sus qubits y quregistros, se aplican las
transformaciones unitarias indicadas. Dado que la toma de
mediciones es probabilista, se ha de disponer de un generador de
números aleatorios. Dependiendo de la toma de mediciones se decide
si acaso se concluye el proceso, o bien, se lo reinicia.
• El poder de la computación cuántica lo
ocasiona su paralelismo inherente y el
entrelazamiento.
• Es posible, por ejemplo, dada una función f, la
evaluación simultánea de valores f(x) para
muchos valores de x en la simple aplicación de
una compuerta cuántica Uf .
¿CÓMO SE HACE?
•
El lenguaje que más se utiliza en computación Qiskit se forma por cuatro paquetes, que tocan
cuántica es Python. Para trabajar la
distintos aspectos del mundo cuántico:
programación de computación cuántica, IBM
creó Qiskit, que es un software de código
abierto y permite desarrollar de forma pública y
colaborativa. Su principal finalidad es crear y
manipular programas cuánticos y
ejecutarlos en prototipos como IBM
Quantum Experience u otros
simuladores. Qiskit también se puede instalar
en Python mediante el comando ‘pip install
qiskit’ y utilizarlo de forma normal en
• Q Sharp o Q# es un lenguaje de programación y un simulador de computación
Q#:
cuántica creado por Microsoft. Este lenguaje se creó para expresar algoritmos
cuánticos y para que los programadores desarrollen sus propios programas
cuánticos. Fue lanzado el 11 de diciembre del 2017 como parte del Quantum
Development Kit.
¿QUÉ HAY EN UN PROGRAMA DE Q#?
Espacios de nombres:
Bibliotecas:
Asignación de bits
cuánticos:
Medición de cúbits:
Operaciones cuánticas:
El mítico “hello world”:
SIMULADOR CUÁNTICO
•
Los simuladores cuánticos son programas de software que se ejecutan en
equipos clásicos y actúan como máquina de destino para los programas de
Q#. Permiten ejecutar y probar programas cuánticos en un entorno que
predice cómo reaccionarán los cúbits a las distintas operaciones.
•
El simulador cuántico es responsable de proporcionar
las implementaciones de las operaciones cuánticas de
un algoritmo. Esto incluye operaciones primitivas, el
seguimiento y la administración de cúbits. El kit de
desarrollo de Quantum incluye distintas clases de
simuladores cuánticos que representan diferentes
maneras de simular el mismo algoritmo cuántico.
SISTEMA SRA:
•
El RSA es un sistema criptográfico que permite enviar mensajes
cifrados sin tener que intercambiar una clave privada y es el más
utilizado para este fin. También permite realizar firmas digitales y es
un sistema que se basa en un problema matemático llamado
“factorización de números enteros”.
¿CÓMO AFECTA A LA COMPUTACIÓN
CUÁNTICA?
•
Muchas criptografías de clave pública, tales como RSA, llegarían a ser obsoletas si el algoritmo de Shor
es implementado alguna vez en una computadora cuántica práctica. Un mensaje cifrado con RSA
puede ser descifrado descomponiendo en factores la llave pública N, que es el producto de dos
números primos. Los algoritmos clásicos conocidos no pueden hacer esto en tiempo O((log N)k) para
ningún k, así que llegan a ser rápidamente poco prácticos a medida que se aumenta N. Por el
contrario, el algoritmo de Shor puede romper RSA en tiempo polinómico. También se ha ampliado
para atacar muchas otras criptografías públicas.
ALGORITMO DE SHOR
• El algoritmo de Shor es un procedimiento que
permite encontrar factores de un número de una
manera eficiente. La implementación de este
algoritmo se puede llevar a cabo de manera clásica
o utilizando circuitos cuánticos (que no han sido
llevados a la práctica todavía). Esta última
implementación es (por supuesto) la más
conveniente cuando se desea encontrar el orden,
un parámetro muy necesario a la hora de
encontrar los factores primos de un cierto número.
PROCEDIMIENTO DEL ALGORITMO DE SHOR
Forma clásica:
1- Escoja un número pseudo-aleatorio a < N.
2- Compute el mcd (a, N). Esto se puede hacer
usando el algoritmo de Euclides.
1. Si el mcd (a, N) ≠ 1, entonces es un factor no
trivial de N, así que terminamos.
2. Si no, utilice el subprograma para encontrar el
período (ver abajo) para encontrar r,
el período de la función siguiente:
3- Si r es impar, vaya de nuevo al paso 1.
4- Si ar/2 ≡ -1 (mod N), vaya de nuevo al paso 1.
5- Los factores de N son el mcd(ar/2 ± 1, N).
Terminamos.
Forma cuántica:
•I
PYLYPCHUK SANTIAGO:
COMPUTADORAS CUÁNTICAS
REALES
INTRODUCCIÓN
Computadora: es una máquina electrónica digital programable que ejecuta una serie de
comandos para procesar los datos de entrada, obteniendo convenientemente información que
posteriormente se envía a las unidades de salida.
La computación cuántica o informática cuántica es un
paradigma de computación distinto al de la informática
clásica o computación clásica. Se basa en el uso de cubits,
una especial combinación de unos y ceros.
• Hoy en día, la computación cuántica es muy reciente, y se
puede decir que todavía estamos en la fase ENIAC de
ellas, esto quiere decir qu1e se está a la espera del
nuevo invento revolucionario como el transistor.
CONSTRUCCIÓN DE UNA COMPUTADORA
CUÁNTICA
hay una serie de reglas que se deben cumplir y se
los conoce como la lista de de Vicenzo:
1° el sistema de poder inicializarse
2° al ser posible hacer manipulaciones de los
qubit de forma controlada con un conjunto de
operaciones que forme un conjunto universal
por acá lógicas
3º el sistema de mantener su coherencia
cuántica a lo largo del experimento
4° ha de poder leerse el estado final del sistema
tras el cálculo
5° el sistema debe ser escalable
TRAMPA DE IONES
• son dispositivos electrodinámicos que usan un campo eléctrico que oscila una frecuencia de
radio cuando ese campo tiene los parámetros correctos, es decir, frecuencia e intensidad
permite que los iones quedan suspendidos en el espacio. Para inicializar los cubits se usa una
técnica llamada bombeo cuántico
Para manipularlos se usan el método de dipolo magnético
y cuadripolo eléctrico. Y para medir los cubits se usa un
laser
• Este método tiene un problema de escalabilidad ya que
solo se llego a 14 qubit y su tiempo de decoherencia no
es muy alto
CIRCUITOS SUPERCONDUCTORES
• Las computadoras cuánticas basadas en circuitos superconductores son las que más
se están investigando en empresas como google microsoft ibm intel a diferencia de
otras computadoras cuánticas que basan su funcionamiento en partículas
individuales estas computadoras cuánticas basan su funcionamiento en circuitos
superconductores formados por muchos átomos estos circuitos son relativamente
fáciles de construir y de manejar. se basan en lo que se denomina una unión de
Josephson que es una unión de dos materiales superconductores, donde se genera lo
que se llama una súper corriente de pares de cooper, donde súper corriente es
porque no tiene desgaste y tiene varios comportamientos cuánticos que podemos
usar para operar
El primer problema es que para que estos materiales tengan
propiedades superconductoras necesitamos alcanzar
temperaturas muy bajas de aproximadamente 15mk, son 272 grados centígrados es decir casi el cero absoluto.
. Segundo la manipulación de los qubits superconductores
permiten rotaciones arbitrarias en la esfera de bloch mediante
la utilización de señales de microondas pulsadas que inducen
en una antena o línea de transmisión acoplada al qubit
Tercero la medición, es decir, la lectura se suele hacer
mediante el acoplamiento de un resonador de
microondas donde la frecuencia de resonancia de este
resonador es desplazada por el estado del qubit.
Cuarto la escalabilidad, esta tecnología relativamente
sencilla ya que los qubits superconductores se fabrican
en chip utilizando técnicas similares a las que se utilizan
actualmente en la computación clásica.
QUBITS DE ESPÍN EN PUNTOS CUÁNTICOS
•
Uno de los grandes retos tecnológicos que tiene la
computación cuántica el problema es que cuando estamos
diciendo que para determinado algoritmo necesitamos cierto
número de qubits estos qubits, que estamos nombrando son los
que se denominan qubits lógicos, que son qubits teóricos o
ideales, los qubits reales o qubits físicos tienen ruido y este
ruido hace que sean frágiles
Entre 100 y 10,000 cubit físicos para simular un qubit lógico a lo que voy con todo esto es que para que la
computación cuántica sea un éxito necesitamos una tecnología fácilmente escalable.
justamente la próxima tecnología promete ser fácilmente escalable la tecnología de qubit de espín en puntos
cuánticos se basa en las mismas técnicas que se utilizan para hacer los transistores convencionales en los chips
de silicio y convertirlos en qubits se está desarrollando varias formas de lograrlo una de estas es insertando un
único átomo de fósforo en un chip de silicio luego hay que construir un electrodo diminuto cada electrodo es tres
mil veces más fino con cabello humano al aplicar una pequeña tension al electrodo fuerza que un electrón salte
y órbita alrededor del ion de fósforo ese es el estado inicial del qubit
COMPUTADORAS CUÁNTICAS DE LOS DISTINTOS
PAÍSES/EMPRESAS
• Estados Unidos: IBM, Google, Intel y
Honeywell son las empresas estadounidenses que
ya tienen ordenadores cuánticos funcionales con
una capacidad interesante como entorno de
pruebas e investigación. El procesador cuántico
de 127 cúbits que ha presentado IBM es el último
hito alcanzado por una empresa estadounidense
en esta disciplina.
China: Este gigantesco país asiático ha
alcanzado una velocidad de crucero envidiable
en lo que se refiere al desarrollo de sus
tecnologías cuánticas. En junio de 2020 consiguió
transmitir un mensaje cifrado que no podía ser
comprometido entre dos estaciones terrestres
separadas por una distancia de 1120 km
utilizando el entrelazamiento cuántico.
Lo último que ha logrado ha sido subir el listón de
la supremacía cuántica utilizando el procesador
superconductor Zuchongzhi, que tiene 66 cúbits.
COMPUTADORAS CUÁNTICAS DE LOS DISTINTOS
PAÍSES/EMPRESAS
• Australia: Este extenso y relativamente poco •
poblado país también está decidido a no dejar
escapar la oportunidad de colocarse en la
punta de lanza de la computación cuántica. Y es
que su Gobierno ha aprobado invertir
aproximadamente un máximo de 2500 millones
de euros para estimular el desarrollo de sus
tecnologías cuánticas.
•
Francia: El plan que ha elaborado el Gobierno
una de las instituciones de investigación más
prestigiosas en física y tecnologías cuánticas: el
Instituto Max Planck de Óptica Cuántica alojado
en Garching, una localidad apacible situada a
pocos kilómetros de Múnich. Su división teórica
está liderada desde hace veinte años por el físico
español Ignacio Cirac, uno de los padres
fundacionales de la computación cuántica
de Emmanuel Macron persigue consolidar la
posición de Francia en el pelotón de cabeza del
desarrollo de las tecnologías cuánticas. De hecho
la cantidad que va a invertir este país le va a
permitir pisar los talones a Alemania en esta
área. Durante los próximos cinco años el estado
dedicará un total de 1800 millones de euros a
esta partida.
Alemania: Este país centroeuropeo alberga
COMPUTADORAS CUÁNTICAS DE LOS DISTINTOS
PAÍSES/EMPRESAS
• Rusia: A Pesar de la relativa opacidad que está
• India: A principios de 2020 el ministro • Reino Unido: La apuesta de este país para mostrando este país en todo lo que tiene que ver
Nirmala Sitharaman anunció que el
Gobierno había decidido invertir nada
menos que 1240 millones de euros
durante los próximos cinco años para
favorecer el desarrollo de un ecosistema
sólido de tecnologías cuánticas.
favorecer el desarrollo de la computación
cuántica viene de lejos. De hecho, fue el
primer estado europeo que puso en marcha
una estrategia firme que perseguía contribuir
al desarrollo de las tecnologías cuánticas, allá
por el ya algo lejano 2013.
con las tecnologías cuánticas tenemos pistas que
reflejan con claridad su esfuerzo para evitar que
China, y, sobre todo, los países occidentales con
Estados Unidos a la cabeza, se impongan en esta
área. En 2020 el Gobierno ruso decidió invertir 700
millones de euros
VITO SILVA:
APLICACIONES DE LAS
COMPUTADORAS CUÁNTICAS
INTELIGENCIA ARTIFICIAL AVANZADA
La inteligencia artificial (IA) es un campo
extremadamente candente en las industrias de
automatización, informática y robótica. Ya está
reemplazando a los trabajadores humanos y ha
mejorado significativamente los resultados y
resultados. La IA se desarrolló mucho en la última
década con el uso de redes neuronales, que es un
modelo de aprendizaje automático basado en las
neuronas
nuestro cerebro.
Las
redes de
neuronales
son un modelo muy poderoso y
pueden adaptarse a cualquier patrón de datos. Pueden
realizar reconocimiento de imágenes, reconocimiento
de voz y copiar el comportamiento humano. Pero la
principal dificultad de las redes neuronales es su
entrenamiento. El entrenamiento de grandes redes
neuronales requiere una gran cantidad de potencia
informática y lleva mucho tiempo. Este problema se
puede resolver fácilmente usando computadoras
cuánticas en lugar de computadoras clásicas.
PREDICCIÓN DEL TIEMPO
El pronóstico del tiempo es la predicción del clima por adelantado
mediante el análisis de las condiciones atmosféricas actuales y del
pasado. Es realizado por computadoras clásicas mediante el
procesamiento de grandes conjuntos de datos de muchos parámetros
meteorológicos. Debido a la precisión limitada de las computadoras y la
potencia de cómputo insuficiente, es imposible pronosticar el clima
perfectamente con unos pocos días de anticipación.
El problema de la precisión del pronóstico del tiempo se puede mejorar
utilizando una computadora cuántica, según lo sugerido por un
investigador ruso. Publicó un artículo en 2017 en el que mostró la
posibilidad de una mayor precisión mediante el uso de la metodología
Dynamic Quantum Clustering (DQC). Afirmó además que DQC puede
incluso producir conjuntos de datos para el pronóstico del tiempo que
son difíciles de producir en las computadoras clásicas.
SIMULACIÓN DE MOLÉCULAS
La simulación de moléculas y su comportamiento en
diferentes condiciones es muy importante en el campo
de la química y la biología. Porque la simulación permite
a los químicos y biólogos estudiar moléculas y su
interacción sin realizar un experimento real.
Para la simulación de moléculas se utilizan ordenadores
clásicos que presentan muchas limitaciones y solo
pueden procesar un número limitado de moléculas. Sin
embargo, la cuántica puede romper estas limitaciones y
permitirá la simulación de moléculas muy complejas en
computadoras muy grandes.
La computadora cuántica del chip de siete qubits ya ha
sido probada en la simulación de moléculas de hidruro
de berilio (BeH 2 ).
MEJOR TRATAMIENTO DEL CÁNCER
Existen varios métodos de tratamiento del cáncer que pueden incluir
medicamentos, radioterapia y cirugía. Muchos pacientes son tratados con
radioterapia en la que se utilizan radiaciones para destruir las células
cancerosas. La radioterapia también puede destruir células y tejidos sanos
que rodean la región cancerosa. Para minimizar el daño a las células sanas, el
haz de radiación se optimiza para realizar el trabajo. La optimización del haz
de radiación se realiza principalmente mediante computadoras clásicas que
requieren tiempo para la optimización.
En 2015, los investigadores del Roswell Park Cancer Institute introdujeron una
nueva técnica que utilizaba una computadora de recocido cuántico en lugar
de una computadora clásica. El resultado del uso de esta nueva computadora
fue que el proceso de optimización tomó mucho menos tiempo y adquirió un
aumento de velocidad de 3 a 4 veces.
MEJORES SIMULACIONES BIOMÉDICAS
Las computadoras cuánticas se pueden usar para simular
proteínas y funciones celulares de manera eficiente. Un intento
de este tipo para resolver el rompecabezas del plegamiento de
proteínas. El intento fue realizado por investigadores de la
Universidad de Harvard en 2012 y los resultados fueron
exitosos. Utilizaron una computadora de recocido cuántico
desarrollada por D-Wave y encontraron la configuración más
baja de aminoácidos que no se había encontrado antes. Este
fue un gran logro en el modelado del plegamiento de proteínas
con una buena precisión.
MEJORES SERVICIOS FINANCIEROS
D-Wave ya ha construido una computadora cuántica
comercial que contiene alrededor de 2000 qubits y se
llama D-Wave 2000Q. Pero es muy costoso y solo lo
utilizan unas pocas organizaciones con fines de
investigación. La computadora cuántica de D-Wave
también se puede usar para manejar cálculos
financieros complejos y problemas de gestión de
riesgos. Además, se puede utilizar para comparar y
optimizar nuevos modelos financieros y reducir los
factores de riesgo globales clave. Sin embargo, para el
sistema financiero global, se requerirá una computadora
cuántica más poderosa que se encuentra en
investigación y desarrollo.
FLUJO DE TRÁFICO MEJORADO
Los atascos de tráfico son uno de los principales problemas
en las ciudades que pueden ocurrir en cualquier
momento. La gente suele levantarse temprano en la mañana
para llegar antes a la oficina y evitar los atascos. Pero
todavía se atascan y muchas veces llegan tarde a la
oficina. Google ha estado analizando atascos y congestiones
de tráfico para sugerir a sus usuarios la ruta más rápida y
clara para llegar al destino.
Volkswagen ha estado tratando de reducir las congestiones y
atascos de tráfico controlando y optimizando el flujo de
tráfico. Experimentaron en 2017 con una computadora de
recocido cuántico para encontrar rutas óptimas para varios
automóviles.
MEJOR COBERTURA DE DATOS MÓVILES
Es posible que haya experimentado muchos lugares en su
ciudad donde la recepción de datos móviles o la cobertura
satelital es muy mala. El problema de la mala cobertura surge
cuando los satélites no pueden cubrir completamente el
área. Esto se debe al hecho de que existe una gran cantidad
de combinaciones en las alineaciones de satélites. La
alineación del satélite debe optimizarse para cubrir la mayor
parte del área, que en su mayoría es realizada por
computadoras clásicas. Pero es muy difícil procesar todas las
combinaciones con computadoras clásicas en poco tiempo.
En un artículo publicado en 2017, se sugirió que la técnica de
optimización binaria cuadrática sin restricciones (QUBO) se
puede ejecutar en computadoras de recocido cuántico para
acelerar el proceso de optimización.
HTTPS://WWW.SCIELO.ORG.MX/SCIELO.PHP?SCRIPT=SCI_ARTTEXT&PID=S1
87035422018000200181#:~:TEXT=UN%20ALGORITMO%20CUÁNTICO%20CO
NSISTE%20DE,DE%20UNA%20TOMA%20DE%20MEDICIÓN
HTTPS://WWW.TECHEDGEGROUP.COM/ES/BLOG/INTRODUCCIONPROGRAMACION-COMPUTACION-CUANTICA
HTTPS://LEARN.MICROSOFT.COM/ES-ES/AZURE/QUANTUM/USER-GUIDE/
HTTPS://WWW.WIKIWAND.COM/ES/ALGORITMO_DE_SHOR
Fuentes: