Glossari de Computació Quàntica
Una guia de terminologia quàntica
Un
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.
B
Separador d'imantació
Un bias tee és un petit component electrònic que combina dos tipus de senyals elèctrics en un sol cable: un senyal lent i constant, i un de ràpid i polsat, evitant que interfereixin entre si.
En els processadors quàntics superconductors, els qubits necessiten tant un camp magnètic constant per mantenir-los en l'estat correcte com pulsos ràpids per realitzar operacions. Un "bias tee" els subministra ambdós a través de la mateixa línia simultàniament, cosa que simplifica el disseny de l'hardware i és essencial per executar les seqüències de control lentes i precises que requereixen els ordinadors quàntics analògics de Qilimanjaro.
C
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.
Nombres complexos
Els nombres complexos estenen els nombres reals incloent-hi un component imaginari, una quantitat que, elevada al quadrat, resulta negativa. Tot i que això pugui sonar abstracte, són el llenguatge natural per descriure ones, oscil·lacions i rotacions.
Els nombres complexos són el llenguatge natural de la mecànica quàntica: l'estat d'un sistema quàntic es descriu mitjançant una funció d'ona de valor complex que codifica tant les probabilitats de mesura com la manera com els estats quàntics interfereixen. Per això els nombres complexos apareixen a tot arreu en la computació quàntica (en estats de qubits, operacions de portes i les matemàtiques que connecten el maquinari amb la computació).
D
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 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.
Digital Annealer
Un refredador digital és un emulador o processador clàssic dissenyat específicament per resoldre problemes d'optimització. Es diu "digital" perquè està construït amb transistors convencionals i circuits electrònics, i "refredador" perquè la seva arquitectura de maquinari reprodueix el concepte de recuit simulat, un algorisme clàssic inspirat en processos termodinàmics.
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.
E
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.
Emulador
Un emulador és un sistema clàssic que, utilitzant algorismes clàssics, pretén reproduir un fenomen quàntic. Aquests emuladors funcionen per a sistemes quàntics específics i sota certes condicions, com ara, per exemple, tenir poc entrellaçament en el sistema que volem emular. L'entrellaçament és precisament una de les propietats fonamentals que caracteritzen la “profunditat quàntica” d'un sistema. Quan el grau d'entrellaçament augmenta significativament, l'emulació clàssica es torna exponencialment costosa o fins i tot impràctica. Per tant, els emuladors no ens permeten superar les limitacions dels ordinadors clàssics i no poden proporcionar un avantatge quàntic.
F
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.
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.
H
Computació híbrida (integració clàssica-quàntica)
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.
J
Unió Josephson
Una unió Josephson és un component electrònic diminut fet de dos metalls superconductors (metalls que condueixen electricitat amb resistència zero quan es refreden a temperatures properes al zero absolut) separats per una barrera extremadament prima. A aquelles temperatures, el corrent elèctric pot travessar la barrera d'una manera que només és possible a nivell quàntic.
Aquest comportament quàntic fa que la unió Josephson sigui diferent de qualsevol element de circuit ordinari, i és el que permet als enginyers construir un qubit a partir d'un circuit senzill. És el bloc de construcció fonamental de tots els qubits superconductors, inclosos els utilitzats en el maquinari de Qilimanjaro.
L
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).
Amplificador de baix soroll
Llegir l'estat d'un qubit produeix un senyal extremadament feble. Un Amplificador de Baix Soroll (LNA) amplifica aquest senyal afegint tan poc soroll com sigui possible, fent-lo llegible per electrònica a temperatura ambient.
En els processadors quàntics superconductor, l'amplificador de baix nivell de soroll (LNA) és típicament un amplificador criogènic que opera a uns 4 Kelvin dins de la nevera de dilució, col·locat tan a prop com sigui possible del xip quàntic. Qualsevol atenuació abans del primer amplificador degrada significativament la qualitat del senyal de lectura, de manera que la posició i la qualitat de l'LNA afecten directament la precisió amb què es poden mesurar els estats dels qubits.
Q
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 estar en qualsevol dels dos o en una combinació lineal (o superposició) d'ambdós.
És molt sensible a l'entorn i intrínsecament sorollós, per la qual cosa pateix de decoherència i errors que limiten la fiabilitat dels càlculs. Hi ha diferents implementacions tecnològiques de qubits físics, incloent circuits superconductors, àtoms neutres, ions atrapats i fotons, entre d'altres.
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.
Computació inspirada en quàntics
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.
S
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.
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.
T
T1 (Temps de relaxació)
T1 és el temps que triga un qubit a caure espontàniament del seu estat excitat a l'estat fonamental, perdent la seva energia emmagatzemada. És una mesura de quant de temps un qubit pot mantenir la informació que se li va donar abans que aquesta energia es dissipi a l'entorn.
Temps de T1 més llargs signifiquen que el qubit manté el seu estat durant més temps, permetent realitzar més operacions abans que s'acumulin errors. El T1 és una de les principals mètriques de qualitat d'un qubit.
Temps de desfasament T2
T2 mesura el temps que un qubit pot mantenir la fase de la seva superposició quàntica abans de perdre coherència. Mentre que T1 descriu la pèrdua d'energia, T2 descriu un procés més subtil: l'estat quàntic intern del qubit perd gradualment la seva fase ben definida, fent que els efectes d'interferència essencials per al càlcul quàntic siguin poc fiables.
T2 és sempre més curta o igual a T1. És la de les dues escales de temps més exigent de preservar, i millorar-la és un dels reptes centrals en l'enginyeria de qubits superconductors.
TLS (Sistemes de Dos Nivells)
Els sistemes de dos nivells (TLS) són defectes microscòpics que actualment limiten els temps de coherència dels qubits superconductors. Són imperfeccions no controlades, que normalment es troben a la interfície entre el material superconductor i el substrat o a la capa d'òxid de la unió Josephson, que s'acoblen al qubit i n'absorbeixen l'energia de manera imprevisible.
A causa de defectes de TLS, els qubits poden perdre el seu estat quàntic més ràpidament del que s'esperava, i el patró de defectes canvia entre refredaments. Comprendre i minimitzar la TLS és un dels reptes centrals en el maquinari quàntic superconductor.
Z
ZX-Calculus
El ZX-calculus és un llenguatge gràfic per raonar sobre circuits quàntics. En lloc d'equacions, representa operacions quàntiques com a diagrames de colors (nodes d'un de dos colors connectats per fils) que es poden simplificar utilitzant un conjunt de regles de reescriptura.
La seva aplicació principal és l'optimització de circuits quàntics: un circuit es converteix en un diagrama ZX, es simplifica pas a pas i, després, es reconverteix en un circuit quàntic estàndard amb menys operacions. Això el converteix en una eina útil per als compiladors quàntics que busquen executar circuits de manera més eficient en maquinari real.