Tecnologías para procesadores cuánticos
Espinosa Rodríguez, Mario
- Published
- 2023
- Language
- es
Abstract
El área de la computación cuántica es una de las más prometedoras en la búsqueda de un nuevo paradigma de computación post-Moore. En este trabajo se proporciona la información necesaria para conocer los principios de mecánica cuántica en los que se basa este campo de las ciencias de la computación, partiendo del bloque más básico de los computadores cuánticos, el qubit, y ascendiendo en nuestra escala de abstracción a través de conceptos como las puertas cuánticas, los conjuntos universales de puertas o los criterios para la correcta implementación de un ordenador cuántico. Acto seguido, se realiza una revisión de los conceptos diferenciativos, la historia y el estado del arte de tres de las tecnologías cuánticas de capa física más avanzadas en el área: trampas de iones, superconductores y fotónicas, y también se dedica una sección al resto de tecnologías físicamente implementadas que no ha sido posible tratar en más detalle. También se definen algunas de las métricas y algoritmos más utilizados a la hora de comparar y acotar las capacidades de distintos computadores cuánticos, tras lo cual se proporciona un vistazo al estado actual del software diseñado para máquinas cuánticas, y finalmente se concluye el trabajo con una opinión sobre el aspecto del futuro cercano de este campo.
Full text
Tecnologías para procesadores cuánticos Trabajo de Fin de Grado Realizado por Mario Espinosa Rodríguez Dirigido por Daniel Cascado Caballero Para la obtención del título de Grado en Ingeniería Informática - Ingeniería del Software Sevilla, 4 de julio de 2023
Índice Introducción Objetivos Búsqueda de fuentes Dominio del problema Tecnologías y software Revisión de tecnologías de capa física Revisión de software Métricas y resultados Cierre Conclusiones Trabajo futuro 3 4 5 6 10 11 18 20 23 24 25
INTRODUCCIÓN
Objetivos Aprendizaje propio Primer paso para la implementación de un simulador de procesador cuántico Documentación del estado del arte Revisión de software 1. 2. 3. 4. 4
Búsqueda de fuentes Primera fase (Febrero): Nº de citas: Centrada en la adquisición de conocimientos. Búsqueda de fuentes muy informal. Segunda fase (Marzo - Abril): Comienzo de la redacción de la memoria Lectura de artículos de revisión recientes Tercera fase (Abril - Junio): Revisión de referencias de la fase anterior Búsqueda de temas concretos no cubiertos 5 7 5 120 16 104 132
Principios. Bits cuánticos. Propiedades de la mecánica cuántica Superposición Entrelazado Interferencia Ejemplo comparativo Con 2 bits, 4 estados posibles Con 2 qubits, 4 estados simultáneos con distinta probabilidad 6
Puertas cuánticas No necesariamente representan circuitos Necesidad de trazabilidad → qubits ancilla Coste operacional no nulo Operaciones sobre uno o varios qubits 7
Qubits bien definidos Habilidad de inicializar qubits Tiempos de decoherencia largos Conjunto universal de puertas cuánticas Capacidad de medir el estado final del sistema Habilidad de transformar qubits estacionarios en qubits en movimiento y viceversa. Habilidad de transmitir qubits en movimiento 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Criterios de DiVincenzo Requisitos necesarios para la construcción de un computador cuántico Computación Comunicación 8
En busca de la universalidad Nos encontramos en la era NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) Noisy: Vulnerabilidad al ruido Intermediate-Scale: bajo número de qubits La supremacía cuántica como meta a corto plazo Capacidad de un computador cuántico de resolver un problema infactible para uno clásico. Término intencionalmente permisivo, existe cierto excepticismo. 9
1988 → Propuesta de uso de fotones para transmisión de qubits 2001 → Propuesta de computador fotónico. Clúster de qubits 2004 → Demostración experimental de ambas propuestas de 2001. 2008 → Primera puerta CNOT 2020 → Supremacía cuántica del Jiuzhang de la USTC Actualidad: Qubits fotónicos 16
Qubits aniónicos Imperfecciones en diamante Átomos neutrales Computación adiabática Otras tecnologías 17
Enfoque comercial Ket LIQUi|> Q# QMASM Revisión de software Conjuntos de instrucciones Lenguajes de programación Kits de desarrollo Enfoque académicoPropósito general Enfoque especializado Blackbird cQASM OpenQASM t|ket> ProjectQ LanQ QCL Pseudocódigo QFC / QPL qGCL QML 18
MÉTRICAS Y RESULTADOS
Número de qubits → Físicos vs. lógicos Conectividad Tasas de error Tiempos de decoherencia Cualidades fundamentales interrelacionadas Métricas 20
Algoritmos de benchmarking Factorización de números primos Uno de los primeros algoritmos para supremacía cuántica Utilidad en criptografía Para arquitecturas fotónicas Poca utilidad práctica Variante gaussiana Algoritmo de Shor Muestreo de bosones Simulación de circuitos cuadrados En proceso de estandarización Volumen cuántico 21
Tecnología F1 F2 F3 Trampas de iones 1995 3 2¹⁶ Superconductores 1999 5 2⁹ Qubits fotónicos 2001 3 N/A Madurez tecnológica F1 → Antigüedad de la tecnología. F2 → Número de empresas de carácter comercial. F3 → Máximo volumen cuántico alcanzado Se han definido tres factores 22
CIERRE
Conclusiones Se ha realizado una amplia revisión de las tecnologías cuánticas de capa física y software. No ha sido posible encontrar información detallada sobre las arquitecturas cuánticas actuales. Se han definido métricas y se han comparado las tecnologías encontradas: trampas de iones como claro vencedor. 24
Trabajo futuro 25 Establecer las bases para la implementación de un simulador, o un computador cuántico. Crear un compendio de conocimientos mínimos para futuros ingenieros en computación cuántica