Programación Cuántica

Presentación del tema: "Programación Cuántica"— Transcripción de la presentación:

1 Programación Cuántica
Breve introducción a los lenguajes de programación cuánticos Francisco J, Gálvez Ramírez IBM Technical Staff

2 Agenda Conceptos Básicos Algunos Algoritmos Cuánticos
09/30/11 Agenda Conceptos Básicos Algunos Algoritmos Cuánticos IBM Quantum Experience

3 09/30/11 Conceptos Cuánticos 3

4 Que es un Computador Cuántico
09/30/11 Que es un Computador Cuántico Un Computador Cuántico hace uso de las leyes naturales de la mecánica cuántica para llevar a cabo un cálculo. ¿Porque queremos un Computador Cuántico? Resolución de ciertos problemas  Hay problemas que no pueden ejecutarse con total fidelidad en un sistema clásico. Rendimiento  Resolución de problemas de forma más rápida de lo que lo puede hacer un ordenador clásico.

5 Conceptos Básicos de Mecánica Cuántica
09/30/11 Conceptos Básicos de Mecánica Cuántica El Principio de Incertidumbre Es imposible realizar una medida sobre un sistema sin que este sufra una perturbación La Superposición de Estados Un estado existe en todas sus posibles configuraciones del espacio de estados posible. El Entrelazado Cuántico Paradoja EPR – Las propiedades de las particulas entrelazadas están relacionadas La Decoherencia de Estados En un estado coherente se mantienen todas las propiedades cuánticas del conjunto. La decoherencia devuelve el caracter indivdual a cada componente. 5

6 Características de un Computador Cuántico
09/30/11 Características de un Computador Cuántico Utiliza Bits Cuánticos (Quantum Bits o Qubits) Hace uso del Paralelismo Cuantico Entrelazamiento Mantiene la coherencia 6

7 Requerimientos de un computador cuantico
09/30/11 Requerimientos de un computador cuantico Lista de di Vincenzo: El sistema ha de poder inicializarse, esto es, llevarse a un estado de partida conocido y controlado. Ha de ser posible hacer manipulaciones a los qubits de forma controlada, con un conjunto de operaciones que forme un conjunto de Puertas Lógicas El sistema ha de mantener su Coherencia Cuántica a lo largo del experimento. Ha de poder leerse el estado final del sistema, tras el cálculo. El sistema ha de ser escalable: tiene que haber una forma definida de aumentar el número de qubits, para tratar con problemas de mayor coste computacional. 7

8 Que es un Bit Cuántico o Qubit?
Qubit es el concepto cuántico del bit. No es un elemento ni un dispositivo. Un Qubit es un concepto lógico que puede implementarse sobre un gran número de sistemas con comportamiento cuántico. Al igual que un bit, un Qubit puede respresentar dos estados: 0 y 1 Sin embargo, un Qubit es capaz de trabajar con todas las posibles combinaciones que pueden darse entre estos estados base 0 y 1.

9 Operaciones Cuánticas
Puertas Cuánticas Es un circuito básico que actúa sobre un o varios qubits Equivalente a las puertas lógicas de los circuitos digitales Son Reversibles Matemáticamente se representan por matrices unitarias Los qubits sobre los que actuan debe conservar sus características cuánticas. = = Puerta Hadamard Puerta NO – Controlado

10 Computación Cuántica Adiabática
La computación cuántica adiabática, se apoya en idea del teorema Adiabático y require que al menos un número grande de qubits (no todos) se encuentren en un estado entrelazado durante el proceso de computación. Implementa el algoritmo del temple cuántico, una forma de computación muy específica. Aplicaciones  Problemas de optimización Generalidad  Restringida Potencia Computacional  Similar a los computadores tradicionales

11 Universal Quantum La Computación Cuántica Universal require que exista entrelazamiento cuántico entre todos los qubits que componen el sistema. Aplicaciones  Computación Segura, Machine Learning, Criptografía, Quantum Chemistry, Material Science, Optimization Problems, Sampling Quantum Dynamics, Searching. Generalidad  Completa con un incremento de velocidad Potencia Computacional  Muy Alta. La Computación Universal es el gran reto en computación cuántica. Tiene la posibilidad de ser exponencialmente más rápido que los ordenadores tradicionales para un número importante de aplicaciones tanto en el mundo de la ciencia como en el mundo de los negocíos.

12 Medicina & Nuevos Materiales
Aplicaciones Seguridad La Computación Cuantica tiene el potencial de mantener claves privadas a salvo de hackers e intrusiones, no importa donde se almacenen o se procesen Medicina & Nuevos Materiales Un Computador Cuántico mimetiza la forma en la que la que opera la naturaleza, con lo que puede simular, entender y mejorar las moléculas y sus interacciones mejor que un computador clásico. Machine Learning Las investigacionea apuntan a que la computación cuántica puede acelerar significativamente el aprendizaje automático y las tareas analíticas tales como el análisis topológico. Big Data La computación cuántica ofrece la posibilidad de 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.

13 Principales Algoritmos Cuánticos
09/30/11 Principales Algoritmos Cuánticos 13

14 Propiedades del Modelo Computacional
09/30/11 Qubit es el equivalente al bit Es un modelo computacional probabilístico La medidas (o lecturas) son destructivas El espacio computacional es exponencialmente más grande Excepto la medida (o lectura), todas las operaciones son reversibles. Es paralelo de forma intrinseca. La información cuántica no puede ser copiada Los algoritmos cuánticos siempre han de ser iniciailzados con la posición 0.

15 Técnicas para la construcción de Algoritmos Cuánticos
09/30/11 Amplificación de Amplitud. Transformada de Fourier Cuántica Caminata Cuántica Corrección Cuántica de Errores Criptografía Cuántica Simulación de Sistemas Físicos.

16 Principales Algortimos Cuánticos
09/30/11 Principales Algortimos Cuánticos Algoritmo de Deusch – Determina si una función es o no balanceada. Algoritmo de Shor – Factorización de grandes números Algoritmo de Grover – Busquedas en espacios no estructurados.

17 09/30/11 Algoritmo de Deustch f1: f2: f3: f4: Algoritmo de Deustch-Josza  Extensión del algoritmo de Deustch para registros de n valores

18 Algoritmo de Deutsch-Jozsa
09/30/11 Algoritmo de Deutsch-Jozsa Inicializar un array de n qubits a estado | 0, 0, > Aplicar una puerta Hadamard a cada uno de ellos Aplicar el circuito del Oráculo Repetir el paso 2 Medir cada qubit

19 Necesita un promedio de N/2 intentos,)
09/30/11 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,) Una computadora cuántica utilizando el algoritmo de Grover el promedio de intentos seria SQRT(N)

20 Algoritmo de Grover - Ejemplo
09/30/11 Algoritmo de Grover - Ejemplo

21 Crece exponencialmente con x
09/30/11 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 El algortimo de Shor consta de dos partes: Una parte clásica - Que se centra en buscar el periodo de una función Una parte cuántica basada en tecnicas de QFT 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.

22 The IBM Quantum Experience
09/30/11 The IBM Quantum Experience 22

23 En que consiste IBM Quantum Experience
09/30/11 Un conjunto de tutoriales que ofrecen una guia para entender los experimentos cuánticos. El quantum Composer, es un interfaz gráfica donde se puede componer una “partitura” cuántica Un simulador que se utiliza para ejecutar las partituras cuánticas diseñadas. Acceso a un Procesador Cuántico real que se encuentra en funcionamiento en uno de los laboratrios de Computacíón Cuántica de IBM En el futuro: Una Comunidad Cuántica 23

24 Presentando IBM Quantum Experience
09/30/11 Un usuario estándar, tiene acceso total a: Procesador cuántico real Capacidades de simulación Resultados previos que se encuentran en la cache del dispositivo. Existe un único procesador cuántico conectado al Cloud. Cuando el usuario consume sus Unidades, puede solicitar una reposición desde la página “Account”.” 24

25 Interfaz Gráfico de usuario para programar un procesador cuántico.
El Quantum Composer 09/30/11 Interfaz Gráfico de usuario para programar un procesador cuántico. Permite construir circuitos cuántico haciendo uso de la libreria de puertas lógicas cuánticas y puntos de medida bien definidos. 25

26 La librerias de Operaciones Cuánticas
09/30/11 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. 26

27 La libreria (al completo ... hasta la proxima versión )
09/30/11 La libreria (al completo ... hasta la proxima versión ) 27

28 Trabajando con el Composer (Demo)
09/30/11 Trabajando con el Composer (Demo) 28

29 Un Chip Cuántico en la Web
09/30/11 Equipamiento muy sofísticado Colaboración entre IBM Research y desarrolladores Cualquiera con acceso a internet puede utilizarlo Tecnología cuántica + Tecnología IT 29

30 Un Chip Cuántico en la Web
09/30/11 5 qubits Control on line de cada qubit Esquema de la arquitectura cuántica 30

31 Quantum Experience al desnudo
09/30/11 Quantum Experience al desnudo 31

32 Quantum Experience al desnudo
09/30/11 Quantum Experience al desnudo 32

33 Quantum Experience al desnudo
09/30/11 Quantum Experience al desnudo + 50 simuladores 10 instancias de aplicaciones y servicios Servicio de monitoring y analisis de logs propio Detección y bloque de posibles ataques Analisis de estadisticas de usuarios y accesos en tiempo real Cache para agilizar la carga. 33

34 Quantum Experience al desnudo
09/30/11 Quantum Experience al desnudo 6 5 4 8 7 1 2 3 34

35 Reconocimientos Ismael Toni Fran Jorge Paco Abdon Jesus Iván 09/30/11
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36 09/30/11 Muchas Gracias 36