Programación de Computadoras Cuánticas - Parte 1

Descripción General

• Introducción a la programación de computadoras cuánticas.
• Comparación con la programación de computadoras clásicas.
• Explicación de compiladores, código máquina y puertas lógicas en computación clásica y cuántica.
• Discusión detallada sobre los principios de la mecánica cuántica: superposición y entrelazamiento.
• Introducción a las puertas lógicas cuánticas y algoritmos de Computación Cuántica.

Computadoras Clásicas

Cómo Funciona la Programación

• Los lenguajes de programación (Python, C++, Java, etc.) permiten interactuar con las computadoras usando comandos casi en lenguaje humano.
• Ejemplo: Código para contar hasta 10 escrito por ChatGPT.

Compiladores

• Programas especiales que convierten el lenguaje de programación de alto nivel en lenguaje máquina.
• Diferentes lenguajes tienen compiladores específicos que actúan como traductores.
• Compiladores como cajas negras: toman el código escrito por humanos (entrada) → salida el código máquina (secuencia de 1s y 0s).

Código Máquina

• Conjunto de instrucciones que le dicen a la computadora sobre bits específicos en los que operar.
• Contiene 1s y 0s interpretados como instrucciones directas para el flujo de señal eléctrica.

Puertas Lógicas

• Bloques de construcción fundamentales de las computadoras clásicas (por ejemplo, puertas AND, OR).
• Circuitos físicos compuestos por bits.
• Realizan operaciones matemáticas y transfieren información entre bits.

Computadoras Cuánticas

Programación de Alto Nivel

• Las computadoras cuánticas se programan utilizando lenguajes de programación de alto nivel como Qiskit de IBM.
• Estos lenguajes se ejecutan en computadoras clásicas, se compilan y luego se ejecutan en el Hardware Cuántico.

Principios de la Mecánica Cuántica

Superposición

• Un sistema cuántico puede estar en múltiples estados al mismo tiempo.
• El estado del sistema solo colapsa a un estado definido al ser medido.
• La probabilidad de colapso está dada por el cuadrado del coeficiente del estado.

Entrelnzamiento

• La medición del estado de una partícula entrelazada informa inmediatamente el estado de la otra.
• Ejemplo: Estado de Bell.
• Probabilidades de estado entrelazado (por ejemplo, 50% de probabilidad de 00 y 50% de 11).

Puertas Lógicas Cuánticas

• Operaciones que cambian el estado de un qubit de una manera conocida y repetible.
• Puertas de uno y varios qubits (análogas a las puertas clásicas NOT y AND).
• Implementadas de manera diferente en cada hardware cuántico (por ejemplo, átomos neutros, qubits superconductores).

Implementación de Algoritmos

• Puertas cuánticas conectadas para formar algoritmos (circuitos cuánticos).
• Abstracciones de programación clásica aplicadas (por ejemplo, programación en Qiskit).
• Uso de computadoras clásicas para escribir/compilar código cuántico.

Ejemplo de Algoritmo: Deutsch-Jozsa

• Problema: Determinar si una función es constante o balanceada.
• Solución Clásica: Requiere 3 evaluaciones.
• Solución Cuántica: Requiere solo 1 evaluación.
• Pasos:
  1. Preparar los qubits (0 y 1 respectivamente) y aplicar la puerta Hadamard.
  2. Evaluar la función en los qubits.
  3. Medir los resultados y analizar si es constante o balanceada.

Resumen

• Los algoritmos clásicos y cuánticos difieren pero siguen algunos principios subyacentes.
• La Computación Cuántica ofrece ventajas significativas para ciertos tipos de problemas.
• Próxima parte: Implementación del algoritmo Deutsch-Jozsa usando Qiskit en una computadora cuántica real.