Fent que els conceptes fonamentals de la computació quàntica siguin més fàcils d'entendre.
La computació quàntica és complexa, però entendre'n els conceptes bàsics no ha de ser-ho. Aquesta guia desglossa els conceptes clau per ajudar-vos a entendre com funciona.
Qubit
Un qubit és la versió quàntica d'un bit: mentre que un bit només pot prendre els valors 0 o 1, un qubit té dos estats base |0⟩ i |1⟩ i pot trobar-se en qualsevol d'ells o en una combinació lineal (o superposició) d'ambdós.
Superposició
En el món clàssic, un sistema es troba en un estat ben definit (per exemple, una moneda és cara o creu). En el món quàntic, la informació que tenim sobre un sistema és compatible amb el fet que es trobi en una combinació de múltiples estats alhora, fins que es mesura. Cada estat té un pes o percentatge segons el qual pot "col·lapsar" durant el procés de mesura.
Entrellaçament
Dues partícules poden quedar entrellaçades de manera que, per molt lluny que estiguin, mesurar-ne una afecta instantàniament l'altra. Aquest fenomen quàntic és fonamental en aplicacions com les comunicacions quàntiques o la computació quàntica.
Coherència
És el temps durant el qual un qubit pot mantenir el seu estat quàntic (superposició i entrellaçament) sense degradar-se, abans que les pertorbacions ambientals facin que perdi la seva informació. Bàsicament, és el temps durant el qual el qubit es pot utilitzar per fer càlculs.
Decoherència
És el fenomen pel qual un qubit perd la seva coherència a causa de la interacció amb l'entorn (llum, calor, soroll o mesura). Gestionar la decoherència és essencial per mantenir l'estat quàntic dels qubits i aconseguir operacions fiables.
Computació quàntica
La computació quàntica és un paradigma computacional basat en les lleis de la mecànica quàntica, en què la informació es codifica en qubits i s'exploten fenòmens com la superposició i l'entrellaçament per processar informació d'una manera diferent de la computació clàssica. No es tracta simplement d'un supercomputador més ràpid, sinó d'un model computacional diferent que pot oferir avantatges per a certes classes de problemes específics, com la simulació, l'optimització, certes subrutines d'IA i problemes de criptografia.
Qubit físic
Un qubit físic és un sistema quàntic real, implementat en hardware, capaç de codificar i manipular informació en dos estats quàntics ben definits (|0⟩ i |1⟩). És molt sensible a l'entorn i intrínsecament sorollós, per la qual cosa pateix decoherència i errors que limiten la fiabilitat dels càlculs. Hi ha diferents implementacions tecnològiques de qubits físics, com ara circuits superconductors, àtoms neutres, ions atrapats i fotons, entre d'altres.
Qubit lògic
Un qubit lògic (o "virtual") és una unitat tolerant a errors d'informació quàntica que codifica l'estat d'un qubit en múltiples qubits físics entrellaçats mitjançant tècniques de correcció d'errors quàntics. És l'element clau per construir ordinadors quàntics digitals escalables i fiables (tolerants a errors).
Computació quàntica full-stack
És un enfocament integral que engloba el desenvolupament coordinat del hardware quàntic, el control electrònic, el software de baix i alt nivell, els algorismes i les aplicacions, sota una estratègia de codisseny. Aquest enfocament optimitza el rendiment del sistema d'extrem a extrem, alineant l'arquitectura física amb les capes de programació i els casos d'ús, la qual cosa permet assolir més ràpidament un avantatge pràctic en comparació amb els models fragmentats.
Integració clàssica–quàntica (o computació híbrida)
És el model en què els ordinadors quàntics operen com a acceleradors especialitzats dins d'infraestructures de computació d'alt rendiment (HPC), delegant a la unitat de processament quàntic (QPU) els subproblemes en què pot aportar un avantatge, mentre que la computació clàssica s'encarrega de l'orquestració, el pre- i post-processament, i el control del flux de treball.
Qubits de fluxonium
Els qubits de fluxonium són un tipus de qubit superconductor dissenyat per millorar l'estabilitat i reduir la sensibilitat al soroll. Utilitzen un circuit amb una unió Josephson i una inductància gran, cosa que els permet mantenir el seu estat quàntic durant més temps. Això els converteix en un enfocament prometedor per construir sistemes quàntics més fiables, especialment en la computació quàntica analògica.
Computació quàntica analògica
La computació quàntica analògica segueix un enfocament diferent. En lloc d'aplicar portes discretes, el problema es codifica directament en un sistema físic, que es controla de manera contínua.
El sistema evoluciona gradualment des d'un estat inicial fins a un estat final que representa la solució. Aquesta evolució contínua pot reduir certs tipus d'errors en comparació amb els enfocaments basats en portes.
Aquest model és especialment adequat per a problemes com l'optimització i la simulació. Un exemple clau és el quantum annealing, on el sistema es guia cap a l'estat d'energia més baixa per trobar solucions òptimes.
Computació quàntica digital
La computació quàntica digital és conceptualment semblant a la computació clàssica: els càlculs es realitzen mitjançant una seqüència de portes quàntiques aplicades pas a pas.
Aquestes portes no són circuits físics, sinó polsos d'energia d'alta precisió (com microones o làsers) utilitzats per controlar l'estat dels qubits.
Com que els qubits són extremadament sensibles al seu entorn, els errors són inevitables. Per abordar-ho, la computació quàntica digital es basa en la correcció d'errors, on la informació es distribueix entre molts qubits físics per formar un qubit lògic més estable.
Tot i que aquest enfocament és universal i pot, en principi, resoldre qualsevol problema computable, requereix un gran nombre de qubits per aconseguir resultats fiables.
Emulador
Un emulador és un sistema clàssic que, mitjançant algorismes clàssics, pretén reproduir un fenomen quàntic. Aquests emuladors funcionen per a sistemes quàntics específics i sota certes condicions, com ara tenir poc entrellaçament en el sistema que volem emular. L'entrellaçament és precisament una de les propietats fonamentals que caracteritzen com de "profundament quàntic" és un sistema. Quan el grau d'entrellaçament augmenta significativament, l'emulació clàssica esdevé exponencialment costosa o fins i tot impracticable. Per tant, els emuladors no ens permeten superar les limitacions dels ordinadors clàssics i no poden proporcionar un avantatge quàntic.
Simulador
És un dispositiu dissenyat per emular els fenòmens quàntics d'un sistema físic específic. A diferència d'un ordinador quàntic universal, generalment no és programable; és a dir, no pot executar una àmplia varietat d'algorismes o protocols. La seva funció es limita estrictament a copiar el comportament del sistema quàntic per al qual va ser creat. El simulador quàntic funciona sobre un ordinador quàntic de propòsit específic, la qual cosa significa que pot proporcionar un avantatge quàntic. Els conceptes d'emulador i simulador sovint es confonen en aquest camp.
Computació d'inspiració quàntica
La computació d'inspiració quàntica consisteix a utilitzar algorismes clàssics que s'executen en ordinadors convencionals (CPU o GPU) per emular el comportament d'un sistema quàntic amb un nivell de precisió finit. Aquest enfocament no depèn de hardware quàntic ni de fenòmens quàntics físics.Una de les eines clàssiques més conegudes per aproximar sistemes quàntics són les xarxes de tensors. Aquesta formalització matemàtica es va desenvolupar originalment per emular el comportament de sistemes multipartícula. Aquestes tècniques poden representar certs sistemes complexos en un format comprimit i han trobat aplicacions en àrees com l'optimització i la compressió de models d'intel·ligència artificial.Tot i això, aquests mètodes tenen una limitació estructural ben coneguda: les xarxes de tensors només són eficients per emular sistemes quàntics quan hi ha un nivell limitat d'entrellaçament entre els seus qubits.En conseqüència, tot i que aquestes tècniques poden oferir avantatges computacionals en contextos específics, són aproximacions basades completament en recursos de computació clàssica. Com que no operen sobre estats quàntics físics, no reprodueixen directament fenòmens quàntics genuïns ni proporcionen un avantatge quàntic.
Digital Annealer
El simulated annealing es pot considerar la contrapartida clàssica (o emulador) de l'algorisme de quantum annealing, tot i que no explota fenòmens quàntics com la superposició o l'entrellaçament.
Un Digital Annealer pot oferir millores de rendiment respecte a arquitectures clàssiques de propòsit general per a certs problemes d'optimització. No obstant això, com que aquests processadors es basen en tecnologia electrònica convencional, el seu funcionament es troba completament dins del paradigma de la computació clàssica i no poden proporcionar un avantatge quàntic.
