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Más rápido que nunca, el mundo está cambiando debido al cambio digital.
Con el inminente advenimiento de otra nueva ola de tecnología capaz de alterar drásticamente los paradigmas actuales con una velocidad y un poder asombrosos: la computación cuántica, comprender las ideas fundamentales de la era digital se volverá aún más importante.
Una técnica revolucionaria llamada computación cuántica hace uso de la física cuántica para resolver problemas que están más allá del alcance de las computadoras convencionales.
Los principios de la teoría cuántica muestran cómo se comportan la materia y la energía a escala atómica y subatómica, y Qiskit de IBM es un kit de desarrollo de software cuántico de código abierto que ayuda a crear sistemas de computación cuántica.
Este artículo busca explicar esto y brindarle una descripción general de la computación cuántica.
Explicaremos a nuestros lectores con la ayuda de una computación cuántica de código abierto SDK, es decir. Qiskit y déjelos explorar usando Cuadernos Jupyter alojado en IBM Quantum Lab.
¿Qué es la Computación Cuántica?
Computación cuántica es una rama de la informática que se centra en el desarrollo de tecnología informática utilizando ideas de la teoría cuántica.
Aprovecha la capacidad excepcional de las partículas subatómicas para existir simultáneamente en muchos estados, como 0 y 1.
Son capaces de procesar muchos más datos que las computadoras normales.
En los procesos de computación cuántica, se crea un qubit utilizando el estado cuántico de un objeto. Las piezas esenciales de información en la computación cuántica son los qubits.
Realizan la misma función que los bits en la computación convencional en la computación cuántica, pero actúan de manera bastante diferente. La computación cuántica es un campo que surgió en la década de 1980.
Luego se descubrió que los algoritmos cuánticos eran más efectivos para realizar algunas tareas informáticas que sus contrapartes clásicas.
Superposición y entrelazamiento, dos conceptos de la física cuántica, son los cimientos sobre los que se asientan estos superordenadores.
En comparación con las computadoras convencionales, las computadoras cuánticas actualmente pueden hacer trabajos mucho más rápido y consumir mucha menos energía.
Debemos proceder con el funcionamiento de las computadoras cuánticas para poder comprenderlo completamente. Comencemos ahora.
¿Cómo funciona realmente una computadora cuántica?
En comparación con las computadoras tradicionales a las que estamos acostumbrados, las computadoras cuánticas abordan la resolución de problemas de manera diferente. Para algunas tareas, las computadoras cuánticas son preferibles a las tradicionales de varias maneras.
Se cree que la causa es su capacidad de existir en numerosos estados a la vez. Por otro lado, las computadoras convencionales solo pueden estar en un solo estado a la vez.
Hay tres conceptos clave que debe comprender para comprender cómo funcionan las computadoras cuánticas:
- Superposición.
- Entrelazamiento.
- Interferencia.
Superposición
Los bits son los componentes fundamentales de las computadoras tradicionales. Los bits cuánticos, o Qubits, son las unidades básicas de las computadoras cuánticas.
Fundamentalmente, los bits cuánticos funcionan de manera diferente. Un bit binario, a veces conocido como bit tradicional, es un interruptor que puede ser un 0 o un 1.
Recibimos el estado actual del bit cuando lo medimos. Los qubits son una excepción a esto. Los qubits se pueden comparar con flechas que apuntan en tres dimensiones.
Están en las condiciones 0 si apuntan hacia arriba. Están en el estado 1 si apuntan hacia abajo. Lo mismo ocurre con los bits clásicos.
Sin embargo, también pueden optar por estar en un estado de superposición.
Una flecha está en la condición en que apunta en cualquier otra dirección. La superposición de 0 y 1 da como resultado este estado. Un Qubit aún producirá un 1 o un 0 como resultado cuando se mide.
Sin embargo, la orientación de la flecha determina una probabilidad que es relevante.
Es más probable que reciba un 1 si la flecha apunta principalmente hacia abajo y un 0 si apunta principalmente hacia arriba.
Tendrás un 50% de posibilidades de ganar para cada uno si la flecha está en el centro. En pocas palabras, eso es superposición.
Enredo
Los bits en una computadora tradicional son independientes entre sí. El estado de un bit no tiene relación con el estado del otro bit.
Los qubits en las computadoras cuánticas pueden enredarse entre sí. Esto implica que se fusionan en un solo gran estado cuántico.
A modo de ilustración, considere dos qubits que se encuentran en varios estados de superposición pero que aún no están entrelazados. En este momento, su probabilidad no depende la una de la otra.
Cuando los entrelazamos, debemos descartar esas probabilidades independientes y determinar las probabilidades de todos los estados alternativos de los que podemos escapar, a saber, 00, 01, 10 y 11.
La distribución de probabilidad de todo el sistema cambia si la dirección de la flecha en un qubit cambia porque los qubits están entrelazados.
Se ha perdido la independencia de los qubits entre sí. Cada uno de ellos es un componente del mismo estado considerable. No importa cuántos qubits tengas, este sigue siendo el caso.
Hay una combinación posible de 2n estados para una computadora cuántica con n qubits.
Tiene una distribución de probabilidad en dos estados, por ejemplo, para un qubit. Tiene una distribución de probabilidad en cuatro estados para dos qubits, etc. La principal distinción entre las computadoras clásicas y cuánticas es esta.
Puede poner computadoras clásicas en cualquier condición que elija, pero solo una a la vez. Todos esos estados pueden existir simultáneamente en las computadoras cuánticas como una superposición.
¿Cómo puede beneficiarse la computadora de estar en todos esos estados a la vez? El último elemento de interferencia entra en este punto.
Interferencia
Se puede utilizar una función de onda cuántica para describir el estado de un qubit.
La descripción matemática fundamental de todo en la física cuántica la proporcionan las funciones de onda.
Cuando se enredan muchos qubits, sus funciones de onda individuales se combinan para formar una sola función de onda que describe el estado general de la computadora cuántica.
La interferencia es el resultado de sumar estas funciones de onda. Cuando las olas se suman, pueden interactuar constructivamente y combinarse para crear una ola más grande, al igual que las ondas de agua.
También pueden interactuar destructivamente para contrarrestarse entre sí. La probabilidad variada de los diversos estados está determinada por la función de onda general de la computadora cuántica.
Podemos alterar la probabilidad de que surjan ciertos estados cuando medimos la computadora cuántica al alterar los estados de varios qubits.
Aunque la computadora cuántica puede existir en varias superposiciones de estados a la vez, las mediciones solo revelan uno de esos estados.
Por lo tanto, al utilizar una computadora cuántica para completar un trabajo de cálculo, se necesita interferencia constructiva para aumentar la probabilidad de recibir la respuesta correcta e interferencia destructiva para reducir la probabilidad de recibir una respuesta incorrecta.
Ahora, comencemos con el Qiskit.
Que es Kisquito?
Qiskit es un marco de software financiado por IBM diseñado para facilitar que cualquier persona ingrese al campo de la computación cuántica.
Debido a que las computadoras cuánticas son difíciles de obtener, puede obtener una a través de un proveedor de la nube, como IBM, utilizando su caja de herramientas Qiskit.
Está disponible de forma gratuita, y todo su código es de código abierto.
Hay un libro de texto en línea que te enseña todos los fundamentos de la física cuántica, lo cual es muy útil para aquellos que no están familiarizados con el tema. Python se utiliza para desarrollar el kit de herramientas Qiskit.
Entonces, si está familiarizado con el lenguaje de programación Python, reconocerá una gran cantidad de código.
El marco de software es adecuado para aquellos que desean aprender sobre computación cuántica además de adquirir experiencia práctica.
El aspecto más fundamental de Qiskit es que opera en dos etapas. Uno de los pasos es la etapa de construcción, en la que creamos varios circuitos cuánticos y usamos esos circuitos para resolver el problema.
Luego, después de completar la etapa de construcción o llegar a la solución, pasamos a la siguiente etapa, que se conoce como la etapa de ejecución, en la que intentamos ejecutar nuestra construcción o solución en los distintos backends (backend de vector de estado, backend unitario, open backend de ASM), y una vez completada la ejecución, procesamos los datos en la compilación para obtener el resultado deseado.
Primeros pasos con Qiskit
En su computadora personal o en el Jupyter Notebook que aloja IBM, puede instalarlo localmente. Escriba el siguiente código para instalar localmente en una computadora con Windows:
Necesitamos registrarnos aquí para acceder al token API que nos permite utilizar los dispositivos cuánticos de IBM, y luego podemos comenzar a trabajar con el sitio web de la compañía. Puede imaginarse haciendo esto utilizando un Jupyter Notebook instalado por Qiskit que se ejecuta en línea.
Puede acceder a él seleccionando su Perfil en el menú en la esquina superior derecha de la página, luego seleccionando Información de la cuenta. Puede encontrar su token de API en la sección sobre tokens de API en forma de ***. Se copia y luego se ingresa en el siguiente código:
Una vez que se haya ejecutado este código, su token API se guardará en su computadora, lo que le permitirá usar los dispositivos cuánticos de IBM. Ingrese lo siguiente para determinar si tiene acceso a dicho dispositivo:
Si se ejecuta el código mencionado anteriormente, debería poder ejecutar el código no solo en su computadora, sino también enviando los circuitos cuánticos integrados a los dispositivos cuánticos de IBM y recibiendo los resultados.
Entonces, usando la biblioteca de circuitos, podemos comenzar a desarrollar nuestro primer algoritmo cuántico. Comenzamos importando las dependencias esenciales de Qiskit a nuestro proyecto.
Luego construimos un registro cuántico de dos qubits y un registro convencional de dos bits.
Así que ahora tenemos un registro tanto clásico como cuántico establecido. Usando esos dos, podemos construir el circuito y si, en cualquier momento durante la modificación del circuito, desea dibujar cómo se ve el circuito cuántico, escriba el siguiente código:
Podemos ver en la imagen que el circuito consta de dos bits cuánticos y dos bits clásicos.
Tal como está, este circuito carece de puertas, lo que lo hace poco interesante. Ahora construyamos el circuito usando las puertas cuánticas. como clásico puertas lógicas (Y, O compuertas) son para circuitos digitales normales, las compuertas cuánticas son los componentes fundamentales de los circuitos cuánticos.
Aplicar la puerta de Hadamard al primer qubit es el primer paso para crear el entrelazamiento. Luego, usando el siguiente código, agregaremos una operación x controlada por dos qubits:
Ahora que estos dos operadores se han utilizado para construir nuestro circuito cuántico, es hora de medir los bits cuánticos (qubits), tomar esas medidas y almacenarlas en los bits clásicos. Vamos a crear el código necesario para lograrlo:
El siguiente diagrama muestra el diseño de nuestro circuito:
Luego, el circuito debe ejecutarse en un simulador de computadora tradicional. El circuito se ha completado. Y examinar los resultados de esa ejecución.
La información obtenida de realizar ese circuito se almacena en la variable de resultado. Mostremos estos resultados usando un histograma de trazado.
Eso es lo que sucede cuando ejecutamos nuestro circuito cuántico. Para los números 00 y 11, recibimos probabilidades de alrededor del 50%. Su circuito de computadora cuántica inicial fue construido. ¡Felicidades!
Aplicaciones de la computación cuántica Qiskit
finanzas
Qiskit Finance ofrece una colección de herramientas y aplicaciones demostrativas. Estos incluyen traductores de Ising para la optimización de carteras, proveedores de datos para datos reales o aleatorios e implementaciones para fijar precios de diversas opciones financieras o evaluaciones de riesgo crediticio.
Naturaleza
Aplicaciones como plegamiento de proteínas y estructura electrónica/vibrónica Los cálculos para los estados excitado y fundamental son compatibles con Qiskit Nature.
Ofrece todas las partes necesarias para conectar códigos clásicos y convertirlos automáticamente a diferentes representaciones que necesitan las computadoras cuánticas.
Aprendizaje automático de Qiskit
Cuántico máquina de aprendizaje Qiskit Machine Learning proporciona métodos que los utilizan para abordar varios problemas, como la regresión y la clasificación, así como núcleos cuánticos fundamentales y redes neuronales cuánticas (QNN) como bloques de construcción.
También permite la conexión de QNN a PyTorch con el fin de incorporar elementos cuánticos en operaciones clásicas.
Optimización de Qiskit
Qiskit Optimization ofrece todo el espectro de servicios de optimización, incluido el modelado de alto nivel de problemas de optimización, la traducción automática de problemas a varias representaciones necesarias y una colección de métodos simples de optimización cuántica.
Conclusión
En conclusión, mientras que la supercomputadora más rápida disponible en la actualidad lleva años, las computadoras cuánticas pueden superar rápidamente los métodos de encriptación actuales.
A pesar del hecho de que las computadoras cuánticas podrán descifrar muchas de las técnicas de encriptación que se usan hoy en día, se anticipa que crearán sustitutos a prueba de hackers.
La optimización de problemas es una fortaleza de las computadoras cuánticas. Para obtener más detalles, visite Qiskit GitHub.
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