Computadoras cuánticas NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum)
Etapa crucial en el desarrollo de la computación cuántica.
Son el estado actual de la tecnología cuántica.
Tienen características y limitaciones específicas.
Las diferencian de las computadoras cuánticas ideales o «fault-tolerant» tolerantes a fallos.
¿Qué es una computadora cuántica NISQ?
El término NISQ fue acuñado por John Preskill en 2018
Para describir las computadoras cuánticas disponibles.
En ese momento y en el futuro cercano.
NISQ significa Noisy Intermediate-Scale Quantum
Se traduce como «cuánticas de escala intermedia y ruidosas».
Tienen dos características principales:
Escala intermedia
Número limitado de qubits.
Entre 50 y unos pocos cientos.
Insuficiente para implementar la corrección de errores cuánticos a gran escala.
Suficiente para realizar experimentos.
Algoritmos cuánticos no triviales.
Ruidosas
Los qubits en las computadoras NISQ son propensos a errores.
Debido al ruido y la decoherencia cuántica.
Limita la profundidad de los circuitos cuánticos.
Se pueden ejecutar de manera fiable.
Características técnicas de las computadoras NISQ
Número de qubits
Las computadoras NISQ tienen entre 50 y 200 qubits
Aunque este número está aumentando rápidamente con los avances tecnológicos.
Este número es pequeño en comparación con lo que se necesitaría.
Para una computadora cuántica tolerante a fallos.
Tareas difíciles o imposibles de simular en computadoras clásicas.
Ruido y decoherencia
Ruido
Los qubits en las computadoras NISQ.
Sujetos a errores debido a la interacción con su entorno.
Errores de puertas cuánticas, errores de medición.
Decoherencia pérdida de información cuántica.
Tiempo de coherencia
El tiempo durante el cual un qubit mantiene su estado cuántico es limitado.
Restringe la profundidad de los circuitos cuánticos.
Se pueden ejecutar antes de que el ruido domine.
Corrección de errores limitada
Las computadoras NISQ no tienen suficientes qubits.
Implementar la corrección de errores cuánticos QEC a gran escala.
Es necesaria para construir una computadora cuántica tolerante a fallos.
En su lugar se utilizan técnicas de mitigación de errores
La calibración de puertas, la optimización de circuitos.
El post-procesamiento de datos.
Reducir el impacto del ruido.
Aplicaciones de las computadoras NISQ
Las computadoras NISQ no son lo suficientemente potentes.
Ejecutar algoritmos cuánticos complejos.
Algoritmo de Shor o el algoritmo de Grover a gran escala.
Simulación cuántica
Las computadoras NISQ son ideales para simular sistemas cuánticos.
Moléculas en química cuántica.
Materiales en física de la materia condensada.
Ejemplo:
Simular la estructura electrónica de moléculas.
Descubrimiento de nuevos fármacos o materiales.
Optimización
Algoritmos cuánticos como el Quantum Approximate Optimization Algorithm QAOA
Ejecutar en computadoras NISQ
Resolver problemas de optimización combinatoria.
Ejemplo:
Optimización de rutas, asignación de recursos o problemas de logística.
Aprendizaje automático cuántico
Las computadoras NISQ se utilizan para implementar algoritmos.
De aprendizaje automático cuántico.
Quantum Support Vector Machines QSVM y Quantum Neural Networks QNN.
Ejemplo:
Clasificación de datos o reconocimiento de patrones.
Pruebas de supremacía cuántica
Utilizadas para demostrar la supremacía cuántica
Realizar tareas que son imposibles o extremadamente difíciles.
Para las computadoras clásicas.
Ejemplo:
El experimento de supremacía cuántica de Google en 2019.
Se utilizó un procesador Sycamore de 53 qubits.
Desafíos técnicos de las computadoras NISQ
Ruido y errores
El ruido y la decoherencia limitan la profundidad.
Complejidad de los circuitos cuánticos.
Se pueden ejecutar de manera fiable.
Solución:
Técnicas de mitigación de errores y optimización de circuitos.
Escalabilidad
Aumentar el número de qubits mientras se mantiene la calidad.
La coherencia es un desafío técnico significativo.
Solución:
Mejoras en el hardware como qubits más estables.
Sistemas de control más precisos.
Integración con sistemas clásicos
Funcionan mejor en combinación con sistemas clásicos.
El pre-procesamiento y post-procesamiento de datos.
Solución:
Desarrollo de frameworks híbridos cuántico-clásicos.
Qiskit, Cirq y PennyLane.
Ejemplos de computadoras NISQ
Google Sycamore
Un procesador de 53 qubits.
Demostrar la supremacía cuántica en 2019.
IBM Quantum
IBM ofrece acceso a varias computadoras cuánticas NISQ
A través de su plataforma en la nube.
El procesador Falcon de 27 qubits
Hummingbird de 65 qubits.
Rigetti Aspen
Una computadora cuántica de 32 qubits.
Disponible a través de la plataforma en la nube de Rigetti.
IonQ
Utiliza trampas de iones para implementar.
Computadoras cuánticas NISQ con alta fidelidad de puertas.
Las computadoras NISQ
Las computadoras NISQ son computadoras cuánticas tolerantes a fallos.
Aumente el número de qubits
Se desarrollarán procesadores con cientos o miles de qubits.
Mejore la calidad de los qubits
Se reducirá el ruido y se aumentará el tiempo de coherencia.
Surjan aplicaciones prácticas
Las computadoras NISQ se utilizarán en áreas como la química.
La optimización y el aprendizaje automático.
Las computadoras cuánticas NISQ son la vanguardia.
De la tecnología cuántica actual.
Tienen limitaciones debido al ruido y la escala intermedia.
Son herramientas poderosas para explorar aplicaciones prácticas.
Sentar las bases para futuras computadoras cuánticas tolerantes a fallos.
