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Computación Cuántica
Introducción 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
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
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IBM's new 17-qubit quantum computer
Arquitectura de los Qubits Superconductores de IBM
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Qubit de Código
Qubit de Test X
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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
CR3-4
CR
3-2
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Arquitectura en Capas
Capa Física
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Arquitectura del Procesador Cuántico de IBM
El Volumen Cuántico
La potencia de un
computador
cuántico no solo
depende del
número de qubits
Si 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
El Refrigerador de Dilución
Temperatura de operación 15 mK
Refrigeración de Dilución
3
He + 4
He
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
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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 aplicación
Cryptography
La Computación Cuantica tiene el potencial de mantener claves privadas a salvo de
hackers e intrusiones, no importa donde se almacenen o se procesen.
Medicine & Materials
Un 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 Learning
La computación cuántica puede acelerar significativamente el aprendizaje automático y las
tareas analíticas tales como el análisis topológico.
Searching Big Data
Realizar 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
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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?
1
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5
6
7
8
El Blog de Quantum Experience
Un blog cuyo objetivo es comunicar y compatir información entre
una Comunidad Cuántica de usuarios
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Evento univ30may quantumcomputing_final

  • 2. Presentación Francisco Gálvez Licenciado en Física Fundamental (UV) Master en Física Avanzada (UV) Cloud and Integrated Systems Expert [email protected] @fjgramirez Francisco J. Galvez Ramirez
  • 3. Agenda  El Computador Cuántico de IBM  Conceptos Básicos en Compuación Cuántica  Arquitectura Cuántica  Aplicaciones de la Computación Cuántica  IBM Quantum Experience
  • 5. 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
  • 6. 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
  • 7. 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
  • 8. Conceptos Básicos en Computación Cuántica
  • 9. 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
  • 10. Caracteríscas de un Computador Cuántico 1. Trabaja con Paralelismo Cuántico 2. Hace uso del Entrelazamiento 3. Mantiene la coherencia 4. Utiliza Bits Cuánticos (Qubits)
  • 11. 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
  • 12. 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 =
  • 13. 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
  • 14. 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
  • 16. 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 Minimizar las pérdidas de energía Una de dos etapas de amplificación se enfría a una temperatura de 4 Kelvin
  • 17. 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.
  • 18. 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.
  • 19. Tiempos de Coherencia en qubits superconductores
  • 20. 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
  • 21. 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 CR3-4 CR 3-2 CR 1-2 CR0-1 CR 0-2
  • 22. Arquitectura en Capas Capa Física Capa Lógica Qubits Físicos Entrada/Salida FGPAs Corrección de Errores Ejecución de Algoritmos Qubits Lógicos Entrada/Salida Lógicas Arquitectura del Procesador Cuántico de IBM
  • 23. El Volumen Cuántico La potencia de un computador cuántico no solo depende del número de qubits Si 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
  • 24. El Refrigerador de Dilución Temperatura de operación 15 mK Refrigeración de Dilución 3 He + 4 He
  • 26. 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.
  • 27. 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
  • 28. 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
  • 29. 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
  • 30. Aplicaciones de la Computación Cuántica
  • 31. Campos de aplicación Cryptography La Computación Cuantica tiene el potencial de mantener claves privadas a salvo de hackers e intrusiones, no importa donde se almacenen o se procesen. Medicine & Materials Un 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 Learning La computación cuántica puede acelerar significativamente el aprendizaje automático y las tareas analíticas tales como el análisis topológico. Searching Big Data Realizar 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.
  • 32. 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$
  • 33. Nuevas Tecnologías Cuánticas  Relojes atómicos cuánticos  Sensores cuánticos  Enlaces cuánticos entre ciudades  Simuladores Cuánticos  Redes de comunicación más seguras  Computadores cuánticos universales
  • 34. Timeline de las Tecnologías Cuánticas
  • 36. 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
  • 37. 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).
  • 38. 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
  • 39. Trabajando con el Composer Interfaz gráfica para construir circuitos cuánticos de forma sencilla e intuitiva
  • 40. Quantum Experience, como funciona? 1 2 3 4 5 6 7 8
  • 41. El Blog de Quantum Experience Un blog cuyo objetivo es comunicar y compatir información entre una Comunidad Cuántica de usuarios