Este documento presenta una introducción a la computación cuántica. Resume los conceptos básicos como la superposición de estados, la decoherencia y los qubits. Explica la arquitectura de los computadores cuánticos de IBM, incluyendo sus refrigeradores de dilución y qubits superconductores. Finalmente, describe algunos algoritmos cuánticos como Shor y Grover, así como posibles aplicaciones en criptografía, medicina, aprendizaje automático y búsquedas de datos.

1. Computación Cuántica
Introducción y Tendencias

2. 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

3. Agenda
 El Computador Cuántico de IBM
 Conceptos Básicos en Compuación Cuántica
 Arquitectura Cuántica
 Aplicaciones de la Computación Cuántica
 IBM Quantum Experience

4. El Computador Cuántico de IBM

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

15. Quantum Architecture

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

25. Algoritmos Cuánticos

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

35. IBM Quantum Experience

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?
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41. El Blog de Quantum Experience
Un blog cuyo objetivo es comunicar y compatir información entre
una Comunidad Cuántica de usuarios

42. Gracias