REVISTA DE INGENIERIA DYNA

¿Qué es la computación cuántica?

La computación cuántica (QC) es una nueva manera de procesamiento informático que basa su funcionamiento en los principios de la mecánica cuántica. En la computación tradicional que se basa en la electrónica convencional de transistores, la información se almacena en bits (estado “0” o “1”) aplicando una codificación binaria y la lógica básica se implementa en puertas que combinadas permiten lógicas más complejas de operaciones y funciones, así como de manejo de información. En la QC la información se almacena en qubits cuyo estado no es binario, sino que según el principio de superposición cuántica representa cualquier combinación lineal de probabilidades de estado “0” y estado “1”. Los qubits se procesan mediante las nuevas puertas lógicas denominadas circuitos.

El hecho de que un qubit tenga una superposición de dos valores implica que procesando n-qubits un computador cuántico sería exponencialmente (2n) más rápido que un computador clásico. Visto de otra forma, existen hoy en día problemas irresolubles por su complejidad exponencial, que pueden resolverse mediante procesamiento cuántico mediante nuevos algoritmos, gracias a que su complejidad se reduciría a nivel polinómico.

¿Por qué la computación cuántica?

Se ha comentado que se permitiría resolver problemas de gran complejidad que hoy día son inabordables en computación clásica, y también resolver mucho más rápidamente los actuales con nuevos algoritmos.

Por otro lado, venimos de un proceso evolutivo en el diseño de procesadores basado en un mayor número de transistores cada vez de menor tamaño que ha sido regido por la Ley de Moore. Los procesadores Sandy Bridge se fabricaban en tecnología de 32 nanómetros, y actualmente el proceso de fabricación de los procesadores Skylake es de 14 nanómetros. Se estima que a los 5nm se alcanzará el nivel atómico, lo cual puede causar comportamientos inesperados y resultados incorrectos. Es por tanto necesario encontrar una alternativa que permita seguir evolucionando las capacidades computacionales, y la QC es el nuevo camino que aportará un cambio disruptivo en la computación.

¿Qué es un simulador cuántico y qué interés tiene?

Un simulador cuántico es un computador con tecnología actual (determinístico) que ejecuta procesos que manejan qubits a través de emulación de circuitos. Obviamente permite el desarrollo de la programación cuántica en computadoras actuales para luego poder ser ejecutados directamente en computadores cuánticos. Actualmente sólo existen en laboratorios, limitadísimos prototipos de pocos qubits que trabajan cerca del cero absoluto (-273,15oK) y son estables en lapsos ínfimos de tiempo. Cuando existan generalizadamente los nuevos procesadores cuánticos (QPUs en lugar de CPUs), no bastará con cambiar el chip o la placa base de los computadores actuales, sino que será necesario rehacer toda la algorítmica de los programas actuales y pensar algoritmos nuevos para los problemas aun no resolubles, y esto supone un trabajo ingente. Los simuladores cuánticos permiten empezar esta labor mientras se desarrolla y se industrializa el nuevo hardware cuántico.

Qué características tiene Atos QLM

Atos QLM es un appliance, es decir, un conjunto de hardware y entorno software en configuraciones predefinidas, que permite actualmente realizar simulaciones cuánticas de hasta 41 qubits.

Se trata de un servidor escalable con alta capacidad de memoria (hasta 48 TB de RAM) que ejecuta instrucciones AQASM (basado en el estándar QASM) y que permite un modelo híbrido gracias a la implementación PyAQASM (Python Quantum Assemble language). Incluye también un SDK con soporte de hasta 20 lenguajes (C/C++/Java/.net, etc.) para integrar circuits y se puede así desarrollar pluggins para ejecutar algoritmos cuánticos externos, y conectar su propio simulador o modelo de ruido.

Se compone de un conjunto integrado de 4 simuladores para adaptarse a diferentes profundidades de circuitos y algoritmos cuánticos y con posibilidad de incorporar el modelo de ruido cuántico.

El QLM es modular y escalable, se puede empezar a partir de un simulador de 30 qubits y ampliar progresivamente hasta los 41 qubits. Utiliza un modelo convencional de adquisición (no es un servicio cloud), la propiedad intelectual de los algoritmos se preserva y al ser hardware-agnóstico hará posible que el software se pueda adaptar en el futuro a cualquier QPU disponible.