{ "cells": [ { "cell_type": "markdown", "id": "a3e4e8b3-0b09-4977-9390-8b4d85889e76", "metadata": {}, "source": [ "---\n", "title: \"Introducción\"\n", "description: \"Un curso gratuito de IBM sobre computación cuántica a escala industrial con casos de uso realistas y mejores prácticas\"\n", "---\n", "\n", "\n", "\n", "# Introducción al curso\n", "\n", "Haga clic a continuación para escuchar la introducción al curso de Olivia Lanes, o abra el vídeo en una ventana aparte en [YouTube.](https://youtube.com/watch?v=sVRpKhCfKRI)\n", "\n", "\n", "\n", "\n", "\n", "## Acerca de este curso\n", "\n", "Bienvenido a *La informática cuántica en la práctica*, un curso centrado en los ordenadores cuánticos actuales y en cómo aprovechar todo su potencial.\n", "Abarca casos de uso potencial realistas para la computación cuántica, así como las mejores prácticas para ejecutar y experimentar con procesadores cuánticos de 100 o más qubits.\n", "\n" ] }, { "cell_type": "markdown", "id": "708ba283-cfb9-49ac-9141-c557c405c9a2", "metadata": {}, "source": [ "\n", "\n", "### Utilidad cuántica\n", "\n", "Es un momento apasionante para la computación cuántica.\n", "Tras muchos años de investigación y desarrollo teórico y experimental, los ordenadores cuánticos se acercan a un punto en el que pueden empezar a competir con los clásicos y demostrar su *utilidad*.\n", "\n", "La utilidad no es lo mismo que *la ventaja cuántica*, que se refiere a que los ordenadores cuánticos *superan a* los clásicos en tareas significativas.\n", "Los ordenadores clásicos tienen una potencia y una capacidad de adaptación increíbles, y lo cierto es que los ordenadores cuánticos no son capaces de superarlas todavía.\n", "Hemos asistido a décadas de avances en computación clásica -no sólo en hardware informático, sino también en algoritmos para ordenadores clásicos- y podemos observar con claridad que la tecnología de la computación digital electrónica ha cambiado radicalmente nuestro mundo.\n", "\n", "La computación cuántica, en cambio, se encuentra en una fase diferente de su desarrollo.\n", "La computación cuántica impone exigencias extremas a nuestro control de los sistemas mecánicos cuánticos y sobrepasa los límites de la tecnología actual, por lo que no es realista esperar dominar esta nueva tecnología y superar a la computación clásica nada más empezar.\n", "Pero estamos viendo indicios que sugieren que los ordenadores cuánticos empiezan a ser competitivos con los métodos de computación clásicos para determinadas tareas, lo que constituye un paso natural en la evolución tecnológica de la computación cuántica conocida como *utilidad cuántica*.\n", "\n", "A medida que avance la tecnología y se desarrollen nuevos métodos de computación cuántica, cabe esperar que sus ventajas sean cada vez mayores, pero esto llevará tiempo.\n", "A medida que esto ocurra, es probable que veamos una interacción de ida y vuelta con la informática clásica: se realizarán demostraciones de computación cuántica y la computación clásica responderá, la computación cuántica dará otra vuelta, y el patrón se repetirá.\n", "Y algún día, cuando el rendimiento de un ordenador cuántico no pueda igualarse al de un ordenador clásico, plantearemos la hipótesis de que hemos visto una ventaja cuántica... ¡pero ni siquiera entonces lo sabremos con certeza!\n", "Demostrar resultados de imposibilidad para los ordenadores clásicos es en sí mismo un problema imposiblemente difícil por lo que sabemos.\n", "\n" ] }, { "cell_type": "markdown", "id": "b0848ac0-03fa-47fe-b4ca-c1d550e68d2f", "metadata": {}, "source": [ "\n", "\n", "### Simulando la naturaleza\n", "\n", "Los simuladores clásicos, es decir, los programas informáticos que se ejecutan en ordenadores clásicos y simulan sistemas físicos, pueden hacer predicciones sobre sistemas de mecánica cuántica.\n", "Pero los simuladores clásicos no son cuánticos y no pueden emular directamente los sistemas cuánticos.\n", "En su lugar, utilizan cálculos matemáticos para aproximarse al comportamiento cuántico.\n", "A medida que aumenta el tamaño de los sistemas que se simulan, la sobrecarga necesaria para ello aumenta drásticamente, lo que impone límites a los sistemas cuánticos que pueden simularse de forma clásica, al tiempo que requieren las simulaciones y a la precisión de los resultados.\n", "\n", "Los ordenadores cuánticos, por su parte, pueden emular sistemas cuánticos de forma más directa y, como resultado, la sobrecarga que requieren se escala significativamente mejor a medida que crece el tamaño del sistema.\n", "De hecho, fue la idea de Richard Feynman en 1980s la que motivó por primera vez una investigación sobre el potencial de los ordenadores cuánticos.\n", "Tendremos más que decir al respecto más adelante\n", "\n", "IBM® En 2023, unos investigadores publicaron un artículo en el que se demostraba, por primera vez, que un ordenador cuántico puede competir con las técnicas clásicas más avanzadas a la hora de simular un modelo físico concreto.\n", "Sus resultados aún pueden igualarse mediante técnicas avanzadas ejecutadas en ordenadores clásicos, pero ha superado a los algoritmos de fuerza bruta,\n", "y además ofrece un nuevo punto de referencia con el que comparar los distintos métodos de simulación (que no son exactos y cuyas predicciones no siempre coinciden).\n", "\n" ] }, { "cell_type": "markdown", "id": "01b384eb-7ccd-49a2-a98d-ed6d4c6cd70a", "metadata": {}, "source": [ "\n", "\n", "### Enfoque en procesadores cuánticos más grandes\n", "\n", "Es posible que los usuarios que hayan utilizado anteriormente el hardware cuántico de IBM hayan notado que los procesadores más pequeños que habíamos puesto a disposición del público han sido retirados, dejando paso a procesadores más grandes (con más de 100 qubits).\n", "Esos procesadores más pequeños podrían simularse fácilmente mediante métodos clásicos.\n", "Así pues, aunque constituían hitos de acceso público en el avance de la tecnología, no podían demostrar en absoluto su utilidad cuántica: todo lo que se podía hacer con ellos se podía hacer con la misma facilidad mediante una simulación clásica.\n", "\n", "Sin embargo, a partir de unos 100 qubits, esto ya no es así. En general, los procesadores cuánticos de este tamaño ya no pueden simularse mediante métodos clásicos.\n", "Esto supone una especie de transición hacia una nueva era de la tecnología de la computación cuántica, en la que existe la *posibilidad* de superar a la computación clásica.\n", "Es en este ámbito donde IBM ha decidido centrar sus esfuerzos: buscar potencia computacional cuántica y avanzar hacia una eventual ventaja cuántica.\n", "\n", "Animamos a nuestros usuarios a utilizar estos nuevos dispositivos en todo su potencial, a experimentar con ellos y a superar sus límites, y a trasladar las lecciones aprendidas a la próxima generación de procesadores cuánticos actualmente en desarrollo.\n", "El objetivo de este curso es que pueda hacerlo\n", "\n" ] }, { "cell_type": "markdown", "id": "13b9c8bf-402b-46be-93da-e01f232ca690", "metadata": {}, "source": [ "\n", "\n", "### Público y objetivos del curso\n", "\n", "Este curso está dirigido a cualquier persona que desee desarrollar nuevas aplicaciones para ordenadores cuánticos, ampliar su trabajo actual en el ámbito de la computación cuántica o aprender a utilizar procesadores cuánticos en su flujo de trabajo.\n", "Esto incluye no solo a físicos e informáticos, sino también a ingenieros, químicos, científicos de materiales y cualquier otra persona interesada en dominar el hardware de la computación cuántica.\n", "\n", "El curso será práctico y se centrará en el uso práctico de los ordenadores cuánticos.\n", "Entre los temas y competencias que abarca figuran los siguientes:\n", "\n", "* Ejecución de trabajos a escala de servicios públicos en procesadores cuánticos mediante Qiskit Runtime\n", "* Utilización de técnicas de mitigación de errores para mejorar los resultados del hardware\n", "* Posibles aplicaciones de los ordenadores cuánticos a corto plazo\n", "\n", "Este curso no cubre la teoría introductoria de la computación cuántica, y asume una familiaridad básica con los qubits y los circuitos cuánticos.\n", "El curso *Fundamentos de la información cuántica* de esta plataforma cubre este material, y se recomienda en primer lugar a quienes se inician en la computación cuántica.\n", "\n" ] }, { "cell_type": "markdown", "id": "babd36cd-1a16-43ac-b57c-c9b637228493", "metadata": {}, "source": [ "\n", "\n", "## La historia de la computación\n", "\n", "La computación cuántica es una nueva tecnología apasionante en una fase temprana de desarrollo, pero es sólo un capítulo de una historia que se remonta miles de años atrás.\n", "Es la historia de *la computación* y sus polifacéticas conexiones con el *mundo físico*.\n", "\n", "\n", "\n", "### Dispositivos informáticos desde la antigüedad\n", "\n", "Desde la antigüedad, los seres humanos hemos necesitado realizar *cálculos* -o, en otras palabras, procesar información de acuerdo con ciertas reglas y restricciones- para hacer posible la comunicación, la construcción, el comercio, la ciencia y otros aspectos de nuestras vidas.\n", "Hemos buscado ayuda en el mundo físico y, gracias a ingeniosos descubrimientos, hemos construido dispositivos que nos ayudan a calcular.\n", "\n", "Hace mucho tiempo, los dispositivos fabricados con madera, hueso y cuerdas anudadas almacenaban información y facilitaban los cálculos.\n", "Los dispositivos mecánicos construidos a partir de palancas, engranajes y otras maquinarias avanzaron desde los primeros relojes astronómicos, pasando por las calculadoras, hasta sofisticados dispositivos informáticos como los analizadores diferenciales que resolvían ecuaciones mediante ruedas y discos giratorios.\n", "Incluso la tecnología de la escritura ha desempeñado un papel importante en esta historia al permitir a *las personas* realizar cálculos que de otro modo no podrían.\n", "\n", "Cuando pensamos en ordenadores hoy en día, tendemos a pensar en ordenadores digitales electrónicos.\n", "Pero en realidad se trata de una tecnología bastante reciente: los ordenadores digitales electrónicos se construyeron por primera vez en 1940s.\n", "(En cambio, se cree que el ábaco sumerio se inventó entre el 2700 y el 2300 a.C.)\n", "La tecnología ha avanzado espectacularmente desde entonces y ahora los ordenadores están omnipresentes.\n", "Se encuentran en los hogares, los lugares de trabajo y los vehículos que nos transportan entre ellos, y muchos de nosotros las llevamos con nosotros a todas partes.\n", "\n", "También tenemos *superordenadores*, que son grandes colecciones de potentes procesadores clásicos conectados en paralelo.\n", "Están entre las mejores herramientas que ha construido la humanidad para resolver problemas difíciles, y su potencia y fiabilidad siguen avanzando.\n", "Pero aún así, hay problemas computacionales importantes que ni siquiera estos behemoths podrán resolver nunca, debido a la dificultad computacional inherente a estos problemas.\n", "\n" ] }, { "cell_type": "markdown", "id": "959639b8-7282-4d3f-897b-d907c2423540", "metadata": { "jp-MarkdownHeadingCollapsed": true }, "source": [ "\n", "\n", "### Conexiones con el mundo físico\n", "\n", "Los ordenadores tienen muchos usos.\n", "Un uso importante de los ordenadores es *aprender* sobre el mundo físico y comprender mejor sus patrones.\n", "Los usos históricos en esta categoría han incluido la predicción de eclipses y mareas, la comprensión del movimiento de los cuerpos astronómicos y (en tiempos algo más recientes) el modelado de explosiones.\n", "Hoy en día apenas hay un laboratorio de física en el mundo que no tenga un ordenador.\n", "\n", "En términos más generales, la física y la informática siempre han estado entrelazadas.\n", "La computación no puede existir en el vacío: la información requiere un medio, y para computar necesitamos aprovechar el mundo físico en algún sentido.\n", "Rolf Launduer, informático (e IBMer), reconoció hace décadas que la información es física, que sólo existe a través de una representación física.\n", "*El principio de Landauer* establece una conexión entre la información y las leyes de la termodinámica, pero en realidad hay muchas conexiones.\n", "\n", "Comprender el mundo físico es el objetivo de la física como disciplina, pero en realidad es una calle de doble sentido.\n", "Gracias a nuestra comprensión del mundo físico, podemos aprovechar las nuevas tecnologías para que nos ayuden a calcular, y a través de ellas seguimos aprendiendo sobre el mundo físico, tirando esencialmente de la física y la tecnología computacional.\n", "\n" ] }, { "cell_type": "markdown", "id": "07458e80-eb5a-4e3f-b4f6-671f589e2aa3", "metadata": {}, "source": [ "\n", "\n", "### Ley de Moore\n", "\n", "La ley de Moore es una observación según la cual el número máximo de transistores de un circuito integrado se duplica aproximadamente cada 2 años.\n", "En las últimas cinco décadas, no sólo hemos observado esta tendencia, sino que también hemos cosechado sus frutos.\n", "Con más transistores en un chip podemos realizar cálculos más complejos y más rápidos.\n", "Por eso los ordenadores son cada vez más potentes.\n", "\n", "Sin embargo, la \"ley\" de Moore está, por necesidad, llegando a su fin.\n", "Los expertos no se ponen de acuerdo sobre cuándo ocurrirá esto, y algunos sostienen que ya ha ocurrido.\n", "Pero sabemos con certeza que inevitablemente debe terminar porque existe un límite teórico a la miniaturización de los componentes informáticos.\n", "No podemos hacer un transistor más pequeño que un átomo\n", "Aunque pueda parecer exagerado, este es el muro al que nos acercamos.\n", "\n", "La solución no es rendirse y decir: «Bueno, esto es lo mejor que se puede conseguir»\n", "Esto va en contra de la naturaleza humana.\n", "En cambio, debemos buscar nuevas herramientas computacionales en el mundo físico, y ahí es donde entra en juego la computación cuántica.\n", "\n" ] }, { "attachments": {}, "cell_type": "markdown", "id": "75411574-12f6-4779-99e0-b8a1abaa376f", "metadata": {}, "source": [ "\n", "\n", "## Computación cuántica\n", "\n", "\n", "\n", "### Mecánica cuántica y computación\n", "\n", "La mecánica cuántica se descubrió a principios del siglo XX y ya ha desempeñado un papel importante en la computación.\n", "De hecho, nuestra comprensión de la mecánica cuántica ha hecho posible, en parte, los ordenadores actuales.\n", "Sin la mecánica cuántica, por ejemplo, es difícil imaginar que se hubiera inventado el disco duro de estado sólido.\n", "\n", "\n", "\n", "### La computación cuántica en teoría\n", "\n", "Cuando Richard Feynman propuso por primera vez la noción de ordenador cuántico en 1982, se centró en la simulación de sistemas de mecánica cuántica.\n", "Los cálculos necesarios para ello parecían demasiado difíciles para los ordenadores normales, pero quizá, con un ordenador que funcionara según una descripción mecánica cuántica del mundo, los sistemas podrían emularse directamente.\n", "\n", "Hoy es una de las vías más prometedoras de la computación cuántica.\n", "Hasta donde sabemos, la Naturaleza no es clásica, sino cuántica.\n", "Por eso, los ordenadores cuánticos pueden ser herramientas valiosas para entenderlo.\n", "En cambio, los ordenadores clásicos sólo pueden aproximarse a lo que ocurre en la Naturaleza y, en algunos casos, esas aproximaciones son muy limitadas aproximaciones son muy limitadas.\n", "\n", "Una forma de entenderlo es mediante una analogía con los túneles de viento.\n", "La dinámica de fluidos es notoriamente difícil de simular y predecir matemáticamente.\n", "Por ejemplo, simular un coche circulando con viento es demasiado costoso y poco práctico, por lo que, en su lugar, los fabricantes de automóviles construyen túneles con viento artificial y hacen circular los coches por ellos para probar su rendimiento.\n", "Es decir, generan viento en lugar de simularlo.\n", "Construir un ordenador cuántico para estudiar el mundo físico es algo así como construir un túnel de viento para estudiar cómo afecta el viento a los coches.\n", "Los ordenadores cuánticos pueden emular directamente las leyes de la naturaleza a nivel molecular, ya que actúan de acuerdo con esas leyes,\n", "es decir, emulan la naturaleza en lugar de simularla mediante fórmulas y cálculos.\n", "\n", "Otros siguieron las ideas de Feynman y las relacionaron con una teoría de *la información cuántica* que ya se estaba desarrollando ya estaba en marcha en su desarrollo.\n", "Había nacido el campo de la *información y la computación cuánticas*.\n", "Desde entonces se ha convertido en un campo de estudio rico y multidisciplinar, y se han identificado numerosas ventajas de la información y la computación cuánticas sobre las clásicas en una amplia variedad de entornos *teóricos* relacionados con la comunicación, la computación y la criptografía.\n", "\n", "\n", "\n", "### La computación cuántica en la práctica\n", "\n", "En la práctica, se necesitan dos cosas para convertir este tipo de ventajas teóricas en ventajas en el mundo real: los propios dispositivos y las metodologías para liberar su potencial.\n", "\n", "A diferencia de los ordenadores clásicos, nadie tiene un ordenador cuántico escondido en el bolsillo.\n", "Hasta hace muy poco, si querías experimentar con un ordenador cuántico, tenías que construir y mantener uno tú mismo (normalmente en un triste sótano de una universidad o centro de investigación), y sólo tendrías unos pocos qubits muy ruidosos como mucho.\n", "Ya no es así.\n", "En 2016, IBM Quantum® puso en la nube el primer procesador cuántico.\n", "Sólo tenía 5 qubits y tasas de error bastante altas, pero hemos avanzado mucho desde entonces.\n", "A continuación resumimos el estado actual de la tecnología.\n", "\n", "Además de construir ordenadores cuánticos, también necesitamos desarrollar metodologías para utilizarlos eficazmente.\n", "Aunque los avances teóricos en algoritmos y protocolos cuánticos sugieren un gran potencial, aún tenemos por delante el reto de encontrar usos prácticos para la computación cuántica.\n", "Los ordenadores cuánticos actuales aún no pueden realizar los cálculos tolerantes a fallos necesarios para convertir las ventajas teóricas conocidas en ventajas prácticas.\n", "Pero están fuera del alcance de las simulaciones informáticas clásicas, y podemos intentar aprovechar este hecho para obtener potencia computacional.\n", "\n", "Con estos avances nos encontramos con una nueva herramienta de cálculo, y depende de nosotros averiguar qué podemos hacer con ella.\n", "\n", "\n", "\n", "### Aplicaciones potenciales\n", "\n", "No se espera que la computación cuántica sirva para estudiar el comportamiento de los coches frente al viento.\n", "Pero hay otros procesos físicos -como los que intervienen en el diseño de baterías o en ciertas reacciones químicas- en los que la capacidad de un ordenador cuántico para emular la Naturaleza podría suponer una ventaja cuántica.\n", "En términos más generales, hay muchos problemas que son demasiado difíciles o costosos incluso para los superordenadores más avanzados, incluidos problemas de gran relevancia para nuestra sociedad.\n", "Puede que la computación cuántica no ofrezca soluciones a todos ellos, pero sí a algunos.\n", "\n", "Las tres áreas de aplicación siguientes representan objetivos en el ámbito de la computación cuántica ruidosa, antes de la implantación de la corrección de errores cuánticos y la tolerancia a fallos.\n", "\n", "* Optimización\n", "* Simular la naturaleza\n", "* Búsqueda de estructuras en los datos (incluido el aprendizaje automático)\n", "\n", "Trataremos estos temas con más detalle más adelante en el curso.\n", "\n", "\n", "\n", "### Estado de la tecnología\n", "\n", "Construir ordenadores cuánticos es un reto tecnológico difícil, y sólo han pasado 8 años desde que se han puesto a disposición del público pequeños ordenadores cuánticos.\n", "En estos 8 años, hemos avanzado en muchos frentes.\n", "\n", "Numerosos procesadores cuánticos IBM son ya accesibles a través de la nube, todos ellos con más de 100 qubits.\n", "Pero lo importante no es sólo el tamaño de los procesadores, sino sólo una de las métricas que nos importan.\n", "La calidad de las puertas también ha mejorado drásticamente, y también hemos introducido métodos para reducir y mitigar los errores intrínsecos de los sistemas cuánticos, incluso mientras avanzamos hacia la creación de sistemas tolerantes a fallos.\n", "Tres métricas básicas *-escala*, *calidad* y *velocidad-* son vitales para hacer un seguimiento de la mejora del rendimiento.\n", "\n", "* **Tamaño.** Es evidente que cuantos más qubits, mejor, pero solo si el aumento del número no reduce el rendimiento\n", " (lo cual puede ocurrir). En realidad, lo que queremos son más qubits de buena calidad que no interfieran entre sí\n", " por diafonía cuando no queremos que lo hagan. La forma en que los qubits se conectan entre sí también es importante, y\n", " determinar cuál es la mejor manera de hacerlo supone un reto para los circuitos de qubits superconductores.\n", "\n", "* **Calidad.** Otra métrica importante que observamos, para seguir la mejora del rendimiento a lo largo del tiempo, es la fidelidad de la puerta de 2 qubits.\n", " Las puertas que funcionan con qubits individuales no son tan propensas a los errores como las puertas de 2 qubits, que son las que más preocupan.\n", " (Las puertas de 2 qubits también son cruciales porque son las responsables de crear el entrelazamiento entre los qubits, que es uno de los fenómenos físicos que confieren a la informática cuántica su potencia)\n", "\n", "* **Velocidad.** Por último, la velocidad y la eficacia. En resumen, el tiempo de ejecución de un programa (incluidas las partes cuántica y clásicas) debe ser lo más breve posible.\n", "\n" ] }, { "cell_type": "markdown", "id": "3bf868cb-4a7b-4485-86ca-34ddb6baeb0c", "metadata": { "jp-MarkdownHeadingCollapsed": true }, "source": [ "\n", "\n", "## Conclusión\n", "\n", "Es realmente un momento apasionante para trabajar en el campo de la computación cuántica: por primera vez en la historia podemos empezar a explorar una región de la computación que está más allá de la computación clásica.\n", "\n", "T.J. Watson predijo un mercado mundial para unos pocos ordenadores.\n", "Podemos reírnos ahora de lo equivocado que estaba, pero al hacerlo debemos reconocer que tenemos la ventaja de la retrospectiva.\n", "Y también debemos reconocer que, como humanos, tenemos una tendencia general a subestimar enormemente el potencial de las tecnologías futuras.\n", "Ahora que nos toca a nosotros y asumimos el papel de pioneros de la computación cuántica, deberíamos tener esto en cuenta.\n", "\n", "La informática cuántica suele compararse con la informática clásica, como algo claramente distinto de ella y que compite con ella.\n", "Pero desde una perspectiva más amplia, podemos considerar la computación cuántica como un capítulo más de una larga historia.\n", "Es parte de nuestra naturaleza como seres humanos buscar nuevas formas de procesar información y aprovechar el poder que nos brinda el mundo natural para hacerlo.\n", "Llevamos siglos haciendo esto.\n", "La computación cuántica nos ofrece una nueva herramienta en este empeño, y depende de nosotros descubrir cómo podemos aprovechar el potencial que nos brinda.\n", "\n" ] }, { "cell_type": "markdown", "metadata": {}, "id": "a1b8767d", "source": "© IBM Corp., 2017-2026" } ], "metadata": { "kernelspec": { "display_name": "Python 3", "language": "python", "name": "python3" }, "language_info": { "codemirror_mode": { "name": "ipython", "version": 3 }, "file_extension": ".py", "mimetype": "text/x-python", "name": "python", "nbconvert_exporter": "python", "pygments_lexer": "ipython3", "version": "3" } }, "nbformat": 4, "nbformat_minor": 5 }