Computación cuántica aplicada con Jack Hidary

Nov152022

‘Quantum Computing. An Applied approach‘ es una introducción al mundo de la computación cuántica, una introducción que se hace con el objetivo declarado de ser de naturaleza práctica y cercana a las implementaciones, soluciones técnicas y aplicaciones realmente existentes.

El libro, de mediana extensión, se estructura en quince capítulos agrupados en tres partes, aunque hay que decir que la última parte (que comprende cinco capítulos) es más bien una serie de anexos sobre fundamentos matemáticos que se emplean en las dos partes anteriores. En cualquier caso, esa distribución por partes y capítulos es la siguiente:

‘PART I – FOUNDATIONS:‘ Aporta las definiciones y conceptos básicos de la computación cuántica, abarcando cuatro capítulos:
- ‘Chapter 1 – Superposition, Entanglement and Reversibility:‘ Un capítulo dedicado a los conceptos más básicos, y en el fondo más conocidos, o al menos renombrados, de la computación cuántica. Así, se define ordenador cuántico, se explica la superposición y el entrelazamiento (‘entanglement‘), se trata la regla de Born y la ecuación de Schrödinger y, finalmente, se aborda el problema de la ‘fisicalidad’ y la reversibilidad.
- ‘Chapter 2 – A Brief History of Quantum Computing:‘ Un brevísimo recorrido histórico que finaliza con los criterios para un ordenador cuántico aportados en 1996 por David DiVicenzo.
- ‘Chapter 3 – Qubits, Operators and Measurement: ‘ Un importante capítulo que comienza con la definición de QuBit, explica los operadores cuánticos básicos, tanto unarios como binarios, y explica también la esfera de Bloch.
- ‘Chapter 4 – Complexity Theory:‘ Se adentra en el algo farragoso mundo de la complejidad algorítmica. Recuerda la notación O, repasa la complejidad de algunos algoritmos en el tiempo y luego pasa a identificar las clases de complejidad. Finaliza con la tesis de Church-Turing.
‘PART II – HARDWARE AND APPLICATIONS: ‘ Una segunda parte, bastante más extensa y compleja que la anterior, en que se centra en la implementación hardware y sobre todo software de la computación cuántica, en técnicas, algoritmos y aplicaciones. Comprende seis capítulos, a saber:
- ‘Chapter 5 – Building a Quantum Computer‘ Un capítulo de naturaleza, digamos, física, que nos acerca a algunas aproximaciones para la implementación de computadores cuánticos. Tras aportar una checklist de elementos a valorar, repasa algunas técnicas como son átomos neutrales (‘neutral atoms‘), resonancia magnética nuclear (NMR, ‘Nuclear Magnetic Resonance‘), Nitrogen-Vacancy Center in Diamond, fotónica, Spin QuBits, Qubits superconductores, Topological Quantum Computation (TQC) e ión atrapado (‘trapped ion’).
- ‘Chapter 6 – Development Libraries for Quantum Computing Programming:‘ Tras la incursión anterior en técnicas físicas y de hardware, en este se vuelve la mirada hacia el software, revisando las librerias existentes para el desarrollo. Se revisan brevemente Cirq de Google, Qiskit de IBM, Forest de Rigetti y el Quantum Development Kit (QDK) de Microsoft. En el resumen se mencionan también algunas otras librerías en C++ y la posibilidad de usar capacidades de computación cuántica en los grandes proveedores de la nube como Amazon AWS o Microsoft Azure.
- ‘Chapter 7 – Teleportation, Dense Coding and Bells’ Inequality:‘ Explica algunos fenómenos relacionados con la transmisión de información. Comienza explicando el curioso fenómeno de la teleportación, la transmisión a distancia y de una forma segura de la información de un qubit. Luego explica la codificación superdensa (‘superdense coding‘) que permite transmitir bits tradicionales a través de un único qubit. Y finaliza con el test de desigualdad de Bell.
- ‘Chapter 8 – The Canon: Code Walkthroughs:‘ El Canon es un conjunto de algoritmos de computación cuantica. El capítulo revisa el algoritmo de Berstein-Vazirani (determinación de la naturaleza de una función booleana de caja negra), el problema de Simon (determinación de la periodicidad de una función), la transformada de Fourier cuántica (descomposición de una función en componentes armónicas), el algoritmo de Shor (criptografía) y el algoritmo de búsqueda de Grover (búsqueda). De todos ellos se aporta el circuito cuántico y código.
- ‘Chapter 9 – Quantum Computing Methods:‘ Muestra una serie de algoritmos que se pueden implementar con procesadores NISQ. Explica ‘Variational Quantum Eigensolver‘ (VQE) que permite determinar los autovalores para llegar a un Hamiltoniano, simulación cuántica en química, ‘Quantum Approximate Optimization Algorithm’ (QAOA) enfocado a problemas de optimización generales, Machine Learning sobre procesadores cuánticos, ‘Quantum Phase Estimation‘ (QPE) para la determinación de autovalores de operadores unarios, resolución de sistemas lineales, generación de números aleatorios, recorridos cuánticos (‘Quantum Walks‘), ‘Quantum Singular Value Transform‘ (QSVT) representación de algoritmos cuánticos mediante matrices y Descuantización. Se trata de un capítulo largo y complejo con abundancia de matemáticas y de código.
- ‘Chapter 10 – Applications and Quantum Supremacy:‘ Finaliza el cuerpo principal del libro con este capítulo, un poco ‘collage‘ y que incluye un muy breve recorrido por algunas aplicaciones de la computación cuántica, un abordaje de la idea de la supremacía cuántica y una explicación de la importancia y técnicas para la corrección de errores en computación cuántica.
‘PART III – TOOLKIT: ‘ Una tercera parte que es casi una serie de anexos sobre aspectos matemáticos de la computación cuántica. Incluye cuatro capítulos:
- ‘Chapter 11 – Mathematical Tools for Quantum Computing I:‘ Repasa los aspectos matemáticos más básicos como el ágebra lineal, matrices, tensores, teoría de conjuntos, transformaciones lineales y estructuras algebráicas hasta llegar a los espacios vectoriales.
- ‘Chapter 12 – Mathematical Tools for Quantum Computing II:‘ Avanza algo más en aspectos como el uso de matrices como operadores, el cálculo y significado de los autovalores, operadores y espacios de Hilbert.
- ‘Chapter 13 – Mathematical Tools for Quantum Computing III:‘ Vuelve a aspectos matemáticos más populares aunque también de interés para la computación cuántica como son las funciones booleanas, los logaritmos y la fórmula de Euler.
- ‘Chapter 14 – Dirac Notation‘ Explica la notación de Dirac, tan omnipresente en computación cuántica, y aborda vectores, operaciones entre vectores, productos tensoriales y funciones de densidad de probabilidad.
- ‘Chapter 15 – Table of Quantum Operators and Core Circuits‘ Breve listado tabular de referencia de operadores y circuitos cuánticos.

‘Quantum Computing. An Applied approach‘ es un libro interesante y que creo que aspira a ser sencillo, pero lo cierto es que, aunque la primera parte es razonablemente asequible, la segunda es bastante densa y nada fácil de seguir, siendo necesario para un buen aprovechamiento una muy buena base matemática y algo de conocimientos de programación. Eso sí, aunque compleja, esta parte y, en general, todo el libro, tiene el gran valor a su favor de aportar no solo ecuaciones matemáticas sino también implementaciones en código así que, en el caso de especialistas, o de lectores que se lean y trabajen el texto muy despacito, se puede alcanzar una visión muy realista y bastante tangible de lo que es la computación cuántica hoy día.

Jack Hidary

(Fuente: Traducción y ligera elaboración propia de su entrada en Wikipedia)

Jack Hidary es un investigador en tecnología y un emprendedor. Es el CEO de la compañía Sandbox AQ de tecnología. Junto con su hermano Murray Hidary, fundó el portal web EartWeb en 1995 que posteriormente adquirió Dice.com.

Hidary ha colaborado con el MIT en una serie de artículos enfocados en el deep learning. En concreto, los artículos tratan de la generalización de las redes de deep learning. Hidary es asimismo autor de ‘Quantum Computing: An Applied Approach‘.

Nació en el Brookdale Hospital en la sección de Brownsville en Brooklyn y creció cerca de Coney Island. Es el mayor de cuatro hermanos y una hermana. Asistió al colegio en Yeshivah de Flatbush.

Estudió filosofía y neurociencia en Columbia University y recibió una beca Stanley en neurociencia clínica en el National Institutes of Health. Allí se enfocó en los estudios con MRI funcional de la función cerebral y la aplicación de las tecnologías de redes neuronales al análisis y modelado de los datos de imágenes fMRI y la función cerebral.

En 1995, Jack Hidary fundó el portal de información IT EarthWeb junto con su hermano y el emprendedor Nova Spivack. En 1998 salió a bolsa y su oferta inicial fue la de más ingresos en el primer día de la historia del NASDAQ. En 1999, bajo el liderazgo de Hidary, EarthWeb se hizo con el el sitio Dice.com dedicado a la carrera tecnológica. En 2000 el equipo renombró la compañía como Dice Inc y posteriormente como DHI Holdings.

Hidary fue co-fundador de Vista Reasearch en 2001 como una compañía de investigación financiera independiente ayudando a inversores institucionales, atrayendo a expertos en los campos de la tecnología, medios, telecomunicaciones, energía y salud. Vista Reasearch fue adquirida en 2005 por la división Standard & Poor’s de McGraw-Hill.

En 2016 Hidary fundó un grupo de tecnología cuántica en Alphabet Inc. En Marzo de 2022 se segregó como una compañía independiente, Sandbox AQ, con Hidary como CEO.

Jack Hidary ha sido un defensor de las energías renovables. Es consejero de la X Prize Foundation y co-fundador del Auto X Prize, que inspiró el desarrollo de vehículos altamente eficientes en combustible.

Hidary ha sido socio o consejero de numerosos grupos de Nueva York. Ha servido en varios consejos incluyendo el comité consultivo para el National Renewable Energy Lab (NREL) y está igualmente en el cosejo de la X Prize Foundation.

Puedes saber más del autor visitando su perfil en LinkedIn o siguiéndole en Twitter donde se identifica como @jackhidary.Ficha técnica