Evaluación de rendimiento de la plataforma de computación cuántica IBM

Abstract

[ES]La computación cuántica es un área de la informática que actualmente se sigue estudiando y desarrollando pero que promete grandes cambios. Esto es debido a que teóricamente estos sistemas son capaces de almacenar muchos más estados de información que en la computación clásica y operar con algoritmos más eficientes. Este proyecto se centra en probar distintas aplicaciones para comprobar si realmente se consiguen los resultados esperados. Para ello, en primer lugar, se estudia la base teórica de la computación cuántica y las aplicaciones en las que se puede utilizar. Posteriormente, se analizan los entornos o infraestructuras que las empresas actuales ponen a disposición de los usuarios a través de la nube para poder trabajar con esta tecnología. De los sistemas analizados, tras decidir trabajar con la plataforma online IBM Q de la empresa IBM, se hace un análisis más profundo de él observando los sistemas que ofrece, sus funcionalidades y su kit de desarrollo de software Qiskit. Utilizando las herramientas ofrecidas por IBM Q y Qiskit, se prueban varias aplicaciones: un algoritmo cuántico que promete ofrecer una aceleración cuadrática respecto a un algoritmo clásico, y aplicaciones en las áreas del aprendizaje automático, optimización de problemas y finanzas. Finalmente, se analizan las pruebas realizadas para observar la usabilidad de las aplicaciones, los resultados obtenidos y tiempos de ejecución, los cuales indican que los computadores cuánticos reales de la plataforma IBM proveen tiempos de ejecución significativamente mayores que sus simuladores. También se proponen varias mejoras o ampliaciones que podrían realizarse en trabajos futuros.

[EU]Konputazio kuantikoa gaur egun aztertzen eta garatzen jarraitzen den baina aldaketa handiak agintzen dituen informatikaren arlo bat da. Izan ere, teorikoki sistema hauek konputazio arruntean baino askoz informazio egoera gehiago gordetzeko eta algoritmo eraginkorragoekin jarduteko gai dira. Honenbestez, proiektu honen helburua espero diren emaitzak benetan lortzen diren egiaztatzeko aplikazio desberdinekin probak egitea da. Horretarako, lehenik eta behin, konputazio kuantikoaren oinarri teorikoak eta zein aplikaziotan erabil daitekeen aztertzen da. Ondoren, gaur egungo enpresek hodei konputazioaren bidez teknologia honekin lan egin ahal izateko erabiltzaileen eskura jartzen dituzten inguruneak edo azpiegiturak aztertzen dira. Aztertutako sistemetatik, IBM enpresaren IBM Q online plataformarekin lan egitea erabaki ondoren, sistema honen azterketa sakonagoa egiten da, eskaintzen dituen sistemak, funtzionaltasunak eta Qiskit izeneko software grapen-kita behatuz. IBM Qk eta Qiskitek eskainitako tresnak erabiliz, hainbat aplikazio probatuko dira: algoritmo arrunt batekin konparatuz denboran zehar hobekuntza koadratikoa eskaintzen duen algoritmo kuantiko bat eta ikasketa automatiko, optimizazio arazo eta finantzen arloetako aplikazioak. Azkenik, aplikazioen erabilgarritasuna, lortutako emaitzak eta gauzatze-denborak behatzeko egindako probak aztertzen dira. Proba hauek, IBM plataformako benetako ordenagailu kuantikoek, simulagailuek baino exekuzio-denbora handiagoak dituztela adierazten dute. Horrez gain, etorkizunerako lanetan egin litezkeen hainbat hobekuntza edo gehikuntza ere proposatzen dira.

[EN]Quantum computing is an area of computing that is currently still being studied and developed but one which promises great advances and innovations. This is because these systems are theoretically capable of storing many more states of information than their classic counterparts and of operating with much more efficiently with certain types of algorithms. This project focuses on testing different applications to see if the expected results are achieved. To this end, firstly, theoretical basis of quantum computing and some of its case study applications are studied. After that, the environments or infrastructures that current companies make available to users through cloud computing environments are analyzed. Of these systems, after deciding to work with the IBM Q online platform, a more in-depth analysis is made of it by observing the systems it offers, its functionalities and its Qiskit software development kit. Using the tools offered by IBM Q and Qiskit, several applications are tested: a quantum algorithm that promises to offer a quadratic speedup over a classical algorithm and some applications from the areas of machine learning, problem optimization and finance. Finally, tests are conducted to assess the performance and usability of the applications, the results obtained and execution times, which indicates that real quantum computers of the IBM platform provide significantly higher execution times than their simulators. Several improvements or extensions that could be made in future work are also proposed.