Glosario de computación cuántica - Enciclopedia

Este glosario de computación cuántica es una lista de definiciones de términos y conceptos utilizados en la computación cuántica, sus subdisciplinas y campos relacionados.

Código Bacon-Shor
es un código de corrección de errores de subsistema. En un código de subsistema, la información se codifica en un subsistema de un espacio de Hilbert. Los códigos de subsistema permiten procedimientos de corrección de errores simplificados, a diferencia de los códigos que codifican información en el subespacio de un espacio de Hilbert. Esta simplicidad llevó al primer demostración de circuitos tolerantes a fallos en un ordenador cuántico.

BQP
En la teoría de la complejidad computacional, el tiempo polinomial cuántico con errores acotados (BQP) es la clase de problemas de decisión que pueden ser resueltos por un ordenador cuántico en tiempo polinomial, con una probabilidad de error de hasta 1/3 para todas las instancias. Es el análogo cuántico a la clase de complejidad BPP. Un problema de decisión es miembro de BQP si existe un algoritmo cuántico (un algoritmo que se ejecuta en un ordenador cuántico) que resuelve el problema de decisión con alta probabilidad y está garantizado que se ejecuta en tiempo polinomial. Una ejecución del algoritmo resolverá correctamente el problema de decisión con una probabilidad de al menos 2/3.

Sombra clásica
es un protocolo para predecir funciones de un estado cuántico utilizando solo un número logarítmico de mediciones. Dado un estado desconocido


ρ


{\displaystyle \rho }

, un conjunto de puertas tomográficamente completo


U


{\displaystyle U}

(por ejemplo, puertas de Clifford), un conjunto de observables


{

O

i


}


{\displaystyle \{O_{i}\}}

y un canal cuántico


M


{\displaystyle M}

(definido por muestrear aleatoriamente desde


U


{\displaystyle U}

, aplicarlo a


ρ


{\displaystyle \rho }

y medir el estado resultante); predecir los valores esperados


tr
⁡
(

O

i


ρ
)


{\displaystyle \operatorname {tr} (O_{i}\rho )}

. Se crea una lista de sombras clásicas


S


{\displaystyle S}

utilizando


ρ


{\displaystyle \rho }

,


U


{\displaystyle U}

y


M


{\displaystyle M}

mediante la ejecución de un algoritmo de generación de sombras. Al predecir las propiedades de


ρ


{\displaystyle \rho }

, se utiliza un algoritmo de estimación de la mediana de medias para manejar los valores atípicos en


S


{\displaystyle S}

. La sombra clásica es útil para la estimación directa de la fidelidad, la verificación de entrelazamiento, la estimación de funciones de correlación y la predicción de la entropía de entrelazamiento.

Computación cuántica basada en la nube
es la invocación de emuladores, simuladores o procesadores cuánticos a través de la nube. Cada vez más, los servicios en la nube se consideran el método para proporcionar acceso a la procesamiento cuántico. Los ordenadores cuánticos alcanzan su gran poder computacional al introducir la física cuántica en el poder de procesamiento y, cuando los usuarios tienen acceso a estos ordenadores alimentados por cuántica a través de internet, se conoce como computación cuántica en la nube.

BENCHMARKING DE CROSSENTROPÍA
(también conocido como XEB), es un protocolo de benchmarking cuántico que se puede utilizar para demostrar la supremacía cuántica. En XEB, se ejecuta un circuito cuántico aleatorio en un ordenador cuántico varias veces para recopilar una serie de


k


{\displaystyle k}

muestras en forma de bitstrings


{

x

1


,
…
,

x

k


}


{\displaystyle \{x_{1},\dots ,x_{k}\}}

. Los bitstrings se utilizan luego para calcular la fidelidad de benchmarking de crosstrentropía (




F


X
E
B





{\displaystyle F_{\rm {XEB}}}

) mediante un ordenador clásico, dada por





F


X
E
B



=

2

n


⟨
P
(

x

i


)

⟩

k


−
1
=



2

n


k



(


∑

i
=
1


k



|

⟨

0

n



|

C

|


x

i


⟩


|


2



)

−
1


{\displaystyle F_{\rm {XEB}}=2^{n}\langle P(x_{i})\rangle _{k}-1={\frac {2^{n}}{k}}\left(\sum _{i=1}^{k}|\langle 0^{n}|C|x_{i}\rangle |^{2}\right)-1}

,
donde


n


{\displaystyle n}

es el número de qubits en el circuito y


P
(
x
i
)


{\displaystyle P(x_{i})}

es la probabilidad de un bitstring


x
i


{\displaystyle {x_{i}}}

para un circuito cuántico ideal


C


{\displaystyle C}

. Si


F
X
E
B


{\displaystyle F_{XEB}=1}

, las muestras se recopilaron de un ordenador cuántico sin ruido. Si


F
X
E
B


{\displaystyle F_{\rm {XEB}}=0}

, entonces las muestras podrían haberse obtenido mediante adivinación aleatoria. Esto significa que si un ordenador cuántico generó esas muestras, el ordenador cuántico es demasiado ruidoso y, por lo tanto, no tiene oportunidad de realizar cómputos más allá de lo clásico. Dado que se requiere una cantidad exponencial de recursos para simular clásicamente un circuito cuántico, llega un momento en que el superordenador más grande que ejecuta el mejor algoritmo clásico para simular circuitos cuánticos no puede calcular el XEB. Al cruzar este punto se conoce como lograr la supremacía cuántica; y después de entrar en el régimen de supremacía cuántica, el XEB solo se puede estimar.

Teorema de Eastin–Knill

es un teorema no-go que afirma: "Ningún código de corrección de errores cuántico puede tener una simetría continua que actúe transversalmente en qubits físicos". En otras palabras, ningún código de corrección de errores cuántico puede implementar transversalmente un conjunto de puertas universal. Dado que los ordenadores cuánticos son intrínsecamente ruidosos, los códigos de corrección de errores cuánticos se utilizan para corregir errores que afectan la información debido a la decoherencia. La decodificación de datos corregidos por errores para realizar puertas en los qubits los hace propensos a errores. La computación cuántica tolerante a fallos evita esto realizando puertas en datos codificados. Las puertas transversales, que realizan una puerta entre dos "qubits lógicos" cada uno de los cuales está codificado en N "qubits físicos" mediante el emparejamiento de los qubits físicos de cada qubit codificado ("bloque de código") y realizando puertas independientes en cada par, pueden utilizarse para realizar cómputos cuánticos tolerantes a fallos pero no universales porque garantizan que los errores no se propaguen incontroladamente a través de la computación. Esto se debe a que las puertas transversales aseguran que cada qubit en un bloque de código es actuado por un solo gate físico y cada bloque de código se corrige independientemente cuando ocurre un error. Debido al teorema de Eastin–Knill, un conjunto universal como {H, S, CNOT, T } puertas no puede implementarse transversalmente. Por ejemplo, la puerta T no se puede implementar transversalmente en el código de Steane. Esto requiere buscar formas de evitar el Eastin–Knill para realizar la computación cuántica tolerante a fallos. Además de investigar la computación cuántica tolerante a fallos, el teorema de Eastin–Knill también es útil para estudiar la gravedad cuántica a través de la correspondencia AdS/CFT y en la física de la materia condensada a través de marcos cuánticos o teoría de muchos cuerpos.

Código de corrección de errores de 5 qubits
es el código de corrección de errores cuántico más pequeño que puede proteger un qubit lógico de cualquier error de qubit único arbitrario. En este código, se utilizan 5 qubits físicos para codificar el qubit lógico. Con


X


{\displaystyle X}

y


Z


{\displaystyle Z}

siendo matrices de Pauli y


I


{\displaystyle I}

la matriz identidad, los generadores de este código son


⟨
X
Z
Z
X
I
,
I
X
Z
Z
X
,
X
I
X
Z
Z
,
Z
X
I
X
Z
⟩


{\displaystyle \langle XZZXI,IXZZX,XIXZZ,ZXIXZ\rangle }

. Sus operadores lógicos son


X
¯
=
X
X
X
X
X


{\displaystyle {\bar {X}}=XXXXX}

y


Z
¯
=
Z
Z
Z
Z
Z


{\displaystyle {\bar {Z}}=ZZZZZ}

. Una vez codificado el qubit lógico, los errores en los qubits físicos se pueden detectar mediante mediciones estabilizadoras. Una tabla de búsqueda que mapea los resultados de las mediciones estabilizadoras a los tipos y ubicaciones de los errores proporciona suficiente información al sistema de control del ordenador cuántico para corregir los errores.

Prueba de Hadamard (computación cuántica)
es un método utilizado para crear una variable aleatoria cuyos valores esperados son la parte real


R
e
⟨
ψ
|
U
|
ψ
⟩


{\displaystyle \mathrm {Re} \langle \psi |U|\psi \rangle }

, donde


|
ψ
⟩


{\displaystyle |\psi \rangle }

es un estado cuántico y


U


{\displaystyle U}

es una puerta unitaria que actúa en el espacio de


|
ψ
⟩


{\displaystyle |\psi \rangle }

. La prueba de Hadamard produce una variable aleatoria cuyo imagen está en


{
±
1
}


{\displaystyle \{\pm 1\}}

y cuyo valor esperado es exactamente


R
e
⟨
ψ
|
U
|
ψ
⟩


{\displaystyle \mathrm {Re} \langle \psi |U|\psi \rangle }

. Es posible modificar el circuito para producir una variable aleatoria cuyo valor esperado sea


I
m
⟨
ψ
|
U
|
ψ
⟩


{\displaystyle \mathrm {Im} \langle \psi |U|\psi \rangle }

.

Difracción de estado mágico

es un proceso que toma múltiples estados cuánticos ruidosos y produce un número menor de estados cuánticos más confiables. Considerado por muchos expertos como una de las principales propuestas para lograr la computación cuántica tolerante a fallos. La difracción de estado mágico también se ha utilizado para argumentar que la contextualidad cuántica podría ser el "ingrediente mágico" responsable del poder de los ordenadores cuánticos.

Puerta de Mølmer–Sørensen

(o puerta MS), es una puerta de dos qubits utilizada en la computación cuántica de iones atrapados. Fue propuesta por Klaus Mølmer y Anders Sørensen. Su propuesta también se extiende a puertas en más de dos qubits.

Algoritmo cuántico
es un algoritmo que se ejecuta en un modelo realista de computación cuántica, el modelo más utilizado siendo el modelo de circuito de computación cuántica. Un algoritmo clásico (o no cuántico) es una secuencia finita de instrucciones, o un procedimiento paso a paso para resolver un problema, donde cada paso o instrucción puede ser realizado en un ordenador clásico. De manera similar, un algoritmo cuántico es un procedimiento paso a paso, donde cada uno de los pasos puede ser realizado en un ordenador cuántico. Aunque todos los algoritmos clásicos también pueden ser realizados en un ordenador cuántico, el término algoritmo cuántico se utiliza generalmente para aquellos algoritmos que parecen intrínsecamente cuánticos o que utilizan alguna característica esencial de la computación cuántica como la superposición cuántica o el entrelazamiento cuántico.

Computación cuántica
es un tipo de computación cuyas operaciones pueden aprovechar fenómenos de la mecánica cuántica, como la superposición, la interferencia y el entrelazamiento. Los dispositivos que realizan cómputos cuánticos se conocen como ordenadores cuánticos. A pesar de que los ordenadores cuánticos actuales son demasiado pequeños para superar a los ordenadores clásicos (ordinarios) para aplicaciones prácticas, se cree que las realizaciones más grandes son capaces de resolver ci