¿Qué es la computación cuántica y cómo funciona?

La puerta de Hadamard es la puerta básica en la computación cuántica. Hadamard Gate mueve el qubit de un estado de no superposición de 0 o 1 a un estado de superposición. Mientras está en un estado de superposición, hay una probabilidad de 0,5 de que se mida como 0. También hay una probabilidad de 0,5 de que el qubit termine como 1.

Veamos el efecto de agregar Hadamard Gate (que se muestra como una H roja) en q₀ donde q₀ se encuentra actualmente en un estado de no superposición de 0 (Figura 2). Después de pasar la puerta de Hadamard, el gráfico de "Probabilidades de medición" muestra que hay un 50 % de posibilidades de obtener un 0 o un 1 cuando q₀ se mide.

El gráfico "Statevector" muestra el valor de a y b, que son raíces cuadradas de 0,5 =0,707. La probabilidad de que el qubit se mida a 0 y 1 es 0,707 ² =0,5, por lo que q₀ ahora está en un estado de superposición.

¿Qué son las medidas?

Cuando medimos un qubit en un estado de superposición, el qubit salta a un estado de no superposición. Una medida cambia el qubit y lo obliga a salir de la superposición al estado 0 o 1.

Si un qubit está en un estado de no superposición de 0 o 1, medirlo no cambiará nada. En ese caso, el qubit ya está en un estado de 100 % siendo 0 o 1 cuando se mide.

Agreguemos una operación de medición al circuito (Figura 3). Medimos q₀ después de la puerta de Hadamard y enviar el valor de la medición al bit 0 (un bit clásico) en c1:

Para ver los resultados de la q₀ medición después de Hadamard Gate, enviamos el circuito para que se ejecute en una computadora cuántica real llamada "ibmq_armonk .” Por defecto, hay 1024 ejecuciones del circuito cuántico. El resultado (Figura 4) muestra que alrededor del 47,4 % de las veces, el q₀ la medida es 0. El otro 52,6 % de las veces, se mide como 1:

La segunda ejecución (Figura 5) produce una distribución diferente de 0 y 1, pero todavía cerca de la división esperada de 50/50:

Enredo en Computación Cuántica

Si dos qubits están en un estado entrelazado, la medición de un qubit instantáneamente "colapsa" el valor del otro. El mismo efecto ocurre incluso si los dos qubits entrelazados están muy separados.

Veamos un ejemplo. Una operación cuántica que pone dos qubits desenredados en un estado entrelazado es la puerta CNOT. Para demostrar esto, primero agregamos otro qubit q₁ , que se inicializa en 0 de forma predeterminada. Antes de la puerta CNOT, los dos qubits están desenredados, por lo que q₀ tiene una probabilidad de 0,5 de ser 0 o 1 debido a la puerta de Hadamard, mientras que q₁ va a ser 0. El gráfico de "Probabilidades de medición" (Figura 6) muestra que la probabilidad de (q₁ , q₀ ) siendo (0, 0) o (0, 1) es 50%:

Luego agregamos la puerta CNOT (que se muestra como un punto azul y el signo más) que toma la salida de q₀ de la puerta de Hadamard y q₁ como entradas. El gráfico de "Probabilidades de medición" ahora muestra que hay un 50 % de probabilidad de (q₁ , q₀ ) ser (0, 0) y 50% de ser (1, 1) cuando se mide (Figura 7):

No hay posibilidad de obtener (0, 1) o (1, 0). Una vez que determinamos el valor de un qubit, conocemos el valor del otro porque los dos deben ser iguales. En tal estado, q₀ y q₁ están enredados.

Ejecutemos esto en una computadora cuántica real y veamos qué sucede (Figura 8):

Estamos cerca de una distribución 50/50 entre los estados '00' y '11'. También vemos ocurrencias inesperadas de '01' y '10' debido a las altas tasas de error de la computadora cuántica. Si bien las tasas de error de las computadoras clásicas son casi inexistentes, las altas tasas de error son el principal desafío de la computación cuántica.

El circuito Bell es solo un punto de partida

El circuito que se muestra en la sección 'Enredo' se llama Circuito Bell. Aunque es básico, ese circuito muestra algunos conceptos y propiedades fundamentales de la computación cuántica, a saber, qubits, superposición, entrelazamiento y medidas. Bell Circuit se cita a menudo como el programa Hello World para computación cuántica.

A estas alturas, probablemente tenga muchas preguntas, como:

• ¿Cómo representamos físicamente el estado de superposición de un qubit?
• ¿Cómo medimos físicamente un qubit y por qué eso obligaría a un qubit a 0 o 1?
• ¿Qué es exactamente |0> y |1> en la formulación de qubit?
• ¿Por qué un ² y b ² corresponde a la probabilidad de que un qubit se mida como 0 y 1?
• ¿Cuáles son las representaciones matemáticas de las puertas Hadamard y CNOT? ¿Por qué las puertas ponen los qubits en estados de superposición y entrelazamiento?
• ¿Podemos explicar el fenómeno del entrelazamiento?

No hay atajos para aprender computación cuántica. El campo toca temas complejos que abarcan la física, las matemáticas y la informática.

Hay una gran cantidad de buenos libros y tutoriales en video que presentan la tecnología. Estos recursos suelen cubrir conceptos de requisitos previos como álgebra lineal, mecánica cuántica y computación binaria.

Además de libros y tutoriales, también puede aprender mucho de los ejemplos de código. Las soluciones para la optimización de la cartera financiera y la generación de rutas para vehículos, por ejemplo, son excelentes puntos de partida para aprender sobre computación cuántica.

El siguiente paso en la evolución informática

Las computadoras cuánticas tienen el potencial de superar incluso a las supercomputadoras más avanzadas. La computación cuántica puede generar avances en la ciencia, la medicina, el aprendizaje automático, la construcción, el transporte, las finanzas y los servicios de emergencia.

La promesa es evidente, pero la tecnología aún está lejos de ser aplicable a escenarios de la vida real. Sin embargo, todos los días surgen nuevos avances, así que espere que la computación cuántica cause interrupciones significativas en los próximos años.