Quantum Bayesian Networks

September 27, 2011

El ordenador cuántico superconductivo de UCSB – una arquitectura von Neumann con elevadores y pisos de almacenamiento

Filed under: Uncategorized — rrtucci @ 9:03 pm

This is a translation from English to Spanish of the previous post. My mother was Latin American. This entry is in her memory.

Fig.1

La Fig. 1 no es una manta de los indios Navajo. Este hermoso cuadro adornó la portada de la revista abril 2011 de Nature Physics. Se refiere a un artículo (disponible a través de ArXiv aquí ) el cual describe un experimento que puso a prueba un conjunto de operaciones para transportar excitaciones cuánticas entre resonadores y qubits (qubits de tipo superconductivos de fase). Ser capaz de realizar este conjunto de operaciones es un objetivo crucial de la arquitectura de UCSB (llamada “ReZQu”) para una computadora cuántica. Cada uno de los tres senderos serpentinos es un resonador y cada uno de los dos cuadrados negros es un qubit. El aparato más reciente construido por UCSB difiere de esta figura sólo en que añade dos partes más, dos “registros para reducción a cero”.

He hablado antes, en las siguientes entradas a este blog, sobre la excelente labor de Investigación y Desarrollo de computación cuántica que están realizado los grupos de Martinis y Cleland en UCSB (Universidad de California en Santa Bárbara):

Desde entonces, el grupo UCSB ha progresado constantemente en sus esfuerzos para construir un ordenador cuántico. Echa un vistazo a su último papel:

Implementing the Quantum von Neumann Architecture with Superconducting Circuits, by Matteo Mariantoni, H. Wang, T. Yamamoto, M. Neeley, Radoslaw C. Bialczak, Y. Chen, M. Lenander, Erik Lucero, A. D. O’Connell, D. Sank, M. Weides, J. Wenner, Y. Yin, J. Zhao, A. N. Korotkov, A. N. Cleland, John M. Martinis

En mi humilde opinión, a la luz de este trabajo, creo que cualquiera que siga afirmando que tomará 20 años lograr construir un ordenador cuántico, no tiene ni puta idea.

Permítanme ahora dar un breve resumen del papel.

El trabajo descrito en el papel demuestra una computadora cuántica “universal” (es decir, de propósito general) con dos qubits. (Sin embargo, los científicos de UCSB no ven impedimento alguno a que se añadan muchos más qubits, y esperan hacerlo en un futuro próximo). La mayor parte de su aparato está construido sobre un chip utilizando técnicas estándar de microfabricación y componentes también muy estándar para frecuencias de radio y microondas. Es cierto que el chip tiene que ser enfriado a temperaturas mili-Kelvin. Por suerte, los refrigeradores que logran tales temperaturas han mejorado considerablemente recientemente, y ya no dependen para su funcionamiento en costoso helio líquido.

El papel informa que dos algoritmos cuánticos se han ejecutado con el nuevo aparato: la transformación cuántica de Fourier, con una fidelidad de 66%, y la transformación de Toffoli para controlar una fase usando dos qubits de control, con una fidelidad de 98%.  Estos dos algoritmos son típicos para un ordenador cuántico de modelo-puertas, en lugar de un ordenador cuántico de modelo-adiabático, que es lo que D-Wave ofrece. Estos números para fidelidad no son estelares. En realidad, están muy por debajo de lo necesario para hacer  corrección cuántica de errores y el algoritmo de Shor. (Sin embargo, podrían ser lo suficientemente buenos — yo y mis algoritmos, no somos demasiado exigentes —  para la realización de mi algoritmo que mejora el algoritmo de Grover. )

Los científicos de UCSB llaman a sus ideas de diseño de un ordenador cuántico, la arquitectura ReZQu (ReZQu denota las palabras Resonador / Zero / Qubit). Esta arquitectura es de tipo von Neumann. En el caso de los ordenadores clásicos, una arquitectura de von Neumann cuenta con una unidad central de proceso (central processing unit, CPU) para la realización de operaciones y una memoria (random access memory, RAM) para el almacenamiento de instrucciones y datos. El ordenador de UCSB todavía almacena las instrucciones en un ordenador clásico, pero tiene una sección (llamada quRAM) para el almacenamiento de datos cuánticos y otra sección (llamada quCPU) para hacer cálculos cuánticos.

Fig.2

Ver Fig. 2. El quCPU (caja azul) incluye dos qubits Q1 y Q2, y además el resonador B para transporte de datos. El quRAM (cajas magenta) se compone de dos resonadores M1 y M2 que sirven de memoria, y dos registros para reducción a cero Z1 y Z2.

Los resonadores actúan como tanques de retención para uno o más fotones (todos los fotones dentro de un resonador tienen la misma frecuencia, por lo que ocupan un nivel degénero de energía ). Por el contrario, los qubits tienen dos niveles discretos y distintos de energía (en realidad tienen más de 2 niveles energéticos, pero sólo los dos niveles más bajos se utilizan. Los niveles más altos tienen una separación de energía diferente a la de los dos más bajos, por lo que las transiciones entre los dos niveles más bajos pueden ser excitadas sin excitar transiciones a los niveles más altos). Los registros para reducción a cero también son sistemas de dos niveles. Se utilizan para “botar información cuántica”, es decir, para reducir a cero un qubit (es decir, para colocarlo en su nivel energético más bajo cuando ese qubit se pone en contacto (con la misma frequencia) con el registro para reducción a cero.)

El eje horizontal de la figura 2 mide desplazamiento en una dimensión espacial y el eje vertical mide frecuencia. Las frecuencias del eje vertical varían de 6 a 8 MHz. M1, M2, B, Z1, Z2, es decir, todos los elementos excepto los dos qubits (Q1 y Q2) tienen una frecuencia fija y distinta (es decir, bien separada de las otras). A diferencia de las frecuencias de los otros elementos, las frecuencias de Q1 y Q2 no son fijas. Pueden ser variadas a voluntad usando algo llamado pulsos zeta. La frecuencia de Q1 (respectivamente, Q2) se puede cambiar de manera que coincida con la de M1, o la de Z1 o la de B (respectivamente, M2, Z2, B).

Es por eso que me gusta llamar a estos qubits “elevadores”, porque la Fig.2 parece un edificio de varios pisos (= frecuencias o energías). Un elevador (= un qubit) puede pasar de un piso a otro. Una vez llega a un piso determinado, puede absorber a una persona (= una excitación cuántica) de ese piso, o liberar a una persona a ese piso. Cada elevador (= qubit) sólo puede albergar una persona a la vez, pero los pisos de almacenamiento (= resonadores) pueden albergar a varias personas.

Si el qubit Qj (j = 1,2) fuera de larga duración, no habría necesidad de darle una memoria Mj. La razón de ser de las memorias Mj es que estas son más duraderas que los qubits. En el experimento presente, las excitaciones de resonador tienen un tiempo de coherencia (es decir, tiempo de vida) de alrededor de 4 microsegundos, mientras que las excitaciones de los qubits viven cerca de una décima parte de ese tiempo. Los científicos de UCSB creen que en un futuro cercano, van a lograr identificar y luego inventar una manera de evitar las fuentes de ruido que limitan la vida de las excitación de resonador. El aparato actual de UCSB puede realizar una sola operación elemental en unos 10 nanosegundos, por lo que su tiempo de coherencia de 4 microsegundos ya le permite llevar a cabo varios cientos de operaciones elementales.

Si deseas profundizar más en los detalles de la arquitectura de UCSB para ordenadores cuánticos, el profesor Martinis mantiene una página web realmente excelente, muy pedagógica. En particular disfruté mucho leer los apuntes de las clases que dió en una escuela de verano en Finlandia, en agosto de 2007. Estos apuntes se pueden encontrar en la sección “Tutorials” de su página web. También aprendí mucho dando una miradita rápida a las varias tesises que están disponibles en la sección “Theses” de su página web.

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1 Comment »

  1. Muy buen articulo! me ayudo un poco a entender como es la arquitectura de las computadoras del futuro

    Comment by Gustavo Torrico Martinez — September 30, 2011 @ 3:46 am


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