The QPath Blog


QuantumPath® en el panorama tecnológico de la computación cuántica

Autores

Mario Piattini
aQuantum Chief Research Officer (CRO)

Guido Peterssen Nodarse
aQuantum Chief Operating Officer (COO)

José Luis Hevia
aQuantum Chief Technology Officer (CTO)

La computación cuántica dará lugar a una profunda revolución informática que alterará significativamente los modelos de negocio establecidos y redefinirá industrias enteras [1]. De hecho, hay varios ámbitos en los que las aplicaciones de la computación cuántica pueden resultar útiles, como la optimización, la inteligencia artificial y el aprendizaje automático, la factorización de grandes números, la química y la ciencia fundamental [2].

Como resultado, han empezado a surgir docenas de ordenadores cuánticos (basados en procesadores fotónicos, superconductores, de iones atrapados y de átomos neutros), una plétora de herramientas y plataformas [3] y lenguajes de programación [4] que abordan diferentes aspectos de la computación cuántica. En la figura 1, basada en [5], se representan los principales actores del panorama de la computación cuántica.

Figura 1. Panorama de la computación cuántica, adaptado de Near-Future: Quantum Computing, Silicon Foundry, 14 de julio de 2020. https://sifoundry.medium.com/near-future-quantum-computing-caae89b0498e [5]

Como se puede ver en la figura, por un lado, están los proveedores de pila completa (full-stack) que ofrecen un sistema completo de extremo a extremo que incluye todo, desde el hardware hasta las plataformas de desarrollo de software. Estos entornos pueden ser más propietarios o abiertos, incluyendo la interacción con diferente hardware cuántico.

Por otro lado, hay varias empresas que ofrecen servicios de computación cuántica en la nube, ya que es poco probable que las organizaciones dispongan de un ordenador cuántico in situ debido a los costes y a las condiciones especiales que aún se requieren en el nivel actual de madurez de la tecnología. También hay varias empresas que ofrecen sistemas y firmware cuánticos, como redes cuánticas, herramientas de control de errores, gestores de señales y control, etc.

Dentro de los sistemas dedicados a un sector tecnológico concreto, también podemos destacar el software dedicado a la encriptación cuántica y a la inteligencia artificial cuántica, dos de las áreas que más interés investigador despiertan en la actualidad.

Por último, podemos ver en la figura un apartado dedicado a las aplicaciones de software, que incluye tanto las plataformas generalistas como las especializadas en áreas concretas, como las finanzas. Cabe destacar que una de las principales preocupaciones en relación con la computación cuántica es la falta de buenos entornos de software que faciliten la programación cuántica [6].

A continuación, mostraremos cómo QuantumPath®, distribuido por aQuantum y recientemente lanzado al público general [7], encaja en este panorama tecnológico de la computación cuántica.

En primer lugar, QuantumPath® puede considerarse un entorno de computación cuántica en la nube, ya que ofrece trabajar en modo SaaS con diferentes tecnologías cuánticas como las de IBM, Microsoft, Rigetti, D-Wave, Google, Fujitsu y otros proveedores, así como con simuladores de computación cuántica de terceros como QuTech, CTIC, etc. El entorno proporcionado es seguro, extensible, de alto rendimiento y escalable. Una de las principales ventajas de QuantumPath® es que es totalmente agnóstico al hardware cuántico utilizado, por lo que el usuario puede acceder en un entorno en la nube a cualquier tipo de ordenador cuántico, lo que ayuda a asegurar el esfuerzo invertido en el desarrollo de software cuántico sin gastar recursos en la instalación y personalización de cualquier tipo de hardware cuántico.

En segundo lugar, QuantumPath® es un sistema cuántico que soporta la ejecución de unidades de proceso cuánticas de forma transparente del entorno en el que se ejecutan, que puede desplegarse en múltiples contextos: nube, on-premise o híbrido. QuantumPath® ha sido diseñado desde cero para ser un sistema cuántico altamente escalable, disponible y seguro. Es altamente escalable no sólo porque se instala sobre AWS, sino también porque -como resultado de su diseño modular- las futuras tecnologías cuánticas podrían añadirse sin esfuerzo como nuevas capas al sistema. La disponibilidad también se complementa con el lanzamiento asíncrono de las ejecuciones (pudiendo recuperar los resultados cuando estén disponibles), la persistencia de las ejecuciones realizadas y la capacidad de programar ejecuciones en un momento dado. Y la seguridad es intrínseca al sistema ya que se ha construido siguiendo el principio y las técnicas de seguridad por diseño.

Además, QuantumPath® permite consultar y analizar la telemetría generada en el sistema y utilizar técnicas de machine learning para apoyar el trabajo y las decisiones a tomar. Por ejemplo, el sistema puede decidir en qué hardware cuántico podría ser más rápido o barato ejecutar algún algoritmo cuántico, o incluso qué combinación de hardware cuántico podría ser la óptima para ejecutar una aplicación de software cuántico.

Otro aspecto único de QuantumPath® es su arquitectura qSOA™ que permite la integración del software cuántico y la informática clásica a través de ConnectionPoints y su protocolo basado en estándares abiertos. Así, es posible crear un sistema de información en el que una parte clásica que utilice un ERP, CRM, o cualquier sistema heredado, proporcione/reciba datos a/desde un software cuántico que realice alguna optimización avanzada de algoritmo especial.

Por último, QuantumPath® proporciona una plataforma para el desarrollo y ciclo de vida de las aplicaciones de software cuántico, desde la creación del algoritmo cuántico, pasando por su desarrollo, pruebas e implementación, hasta su despliegue y reutilización (véase un ejemplo en [8]) QuantumPath® ofrece una pila completa de ALM orientada a la creación de soluciones de software cuántico: gestión de activos, las herramientas de diseño Q Assets Compositor™, metalenguajes, compiladores, transpiladores, unidades de ejecución escalables bajo demanda, resultados unificados, adaptadores de integración, catálogo de servicios cuánticos, etc. Soporta todas las aproximaciones tecnológicas cuánticas: modelo basado en puertas y/o annealing con una interfaz gráfica muy amigable, que acelera la construcción y despliegue de aplicaciones cuánticas, abstrayendo sus complejidades técnicas.

Además, QuantumPath® apoya la adopción de las mejores prácticas de Ingeniería de Software y Programación, siguiendo los principios del Manifiesto de Talavera [9], asegurando la calidad de los proyectos de desarrollo y del software cuántico [10]. De este modo, QuantumPath® proporciona de forma efectiva un ecosistema que cubre la más amplia gama de aplicaciones posibles (Química, Economía, Servicios financieros, Energía y agricultura, Medicina y salud, Privacidad y criptografía, Logística, Defensa y seguridad nacional, …)

Otra comparación interesante es la de las tecnologías de software para el desarrollo de software cuántico, disponibles a través de algunas de las plataformas de desarrollo más representativas del mercado internacional. 

Como era de esperar, cada proveedor diseña, desarrolla y mantiene su plataforma de desarrollo cuántico desde su propia perspectiva, con sus propias preferencias de entorno y enfoques tecnológicos. Por lo tanto, cada proveedor termina creando una arquitectura y apariencia en sus plataformas que es muy diferente a la de otros proveedores. Esto es normal, porque esas visiones se basan en equipos con diferentes competencias y experiencias en las diversas disciplinas de la computación cuántica y el desarrollo de software, agravado por los objetivos comerciales específicos que cada uno de los grandes actores quiere lograr con su plataforma. Independientemente de esto, creemos que las similitudes de la gran mayoría de estas plataformas son comparables en un conjunto de funcionalidades relevantes para su razón de ser.

En un estudio sobre el desarrollo de software cuántico [11], se presenta un interesante análisis de un conjunto de funcionalidades, algunas de las cuales hemos agrupado visualmente en la Figura 2, a las que hemos añadido las funcionalidades relacionadas con las soluciones de software híbrido dinámico y los enfoques cuánticos soportados las plataformasCreemos que las siguientes funcionalidades son válidas para un análisis comparativo actual de plataformas de desarrollo de software cuántico y el soporte de los enfoques de puertas cuánticas y annealing:

Figura 2. Plataformas de desarrollo de software cuántico: Funcionalidades de los productos

QuantumPath® ha sido diseñada desde la perspectiva de la Ingeniería del Software y la Programación Cuántica, gracias a lo cual ofrece un amplio abanico de capacidades a los equipos de desarrollo de software cuántico, además de dotarles de un ecosistema de herramientas profesionales que maximizan la productividad [12], quizás por todo ello es la única plataforma que cumple plenamente con todas las funcionalidades comparadas en la Figura 2:

·     Agnosticismo del hardware

·     Enfoques cuánticos soportados: puertas cuánticas y annealing

·     Soluciones de software dinámico híbrido clásico-cuántico

·     IDE

·     Funciones de optimización del software cuántico

·     Out-Of-The-Box (OOTB)

·     Integración de servicios

·     Software de terceros

 

En conclusión, QuantumPath® actualmente ofrece servicios en las tres facetas que hemos comentado: como proveedor cuántico en la nube, como sistema cuántico completo y como plataforma de desarrollo de aplicaciones de software cuántico. Por si todo esto fuera poco, QPath® es también una plataforma robusta de desarrollo de software cuántico, a la altura de las más representativas del mercado internacional, que resuelve la mayoría de los problemas de calidad de este tipo de plataformas [13].

Referencias:

[1] The Quantum Decade.  A playbook for achieving awareness, readiness, and advantage. IBM Institute for Business Value. https://www.ibm.com/downloads/cas/J25G35OK

[2] Technology Assessment. Quantum Computing and Communications. Status and Prospects GAO-22-104422, United States Government Accountability Office. Report to Congressional Addressees, October 2021. https://www.gao.gov/products/gao-22-104422

[3] Quantum Computing. Jose Luis Hevia, Guido Peterssen, Christof Ebert, Mario Piattini. IEEE Softw. 38(5): 7-15 (2021). https://ieeexplore.ieee.org/document/9520227

[4] Requirements for a Robust Quantum Software Development Environment. Mario Piattini: Cutter Business Technology Journal, Vol. 34, Nº 4, 12-17. https://www.cutter.com/article/requirements-robust-quantum-software-development-environment

[5] Near-Future: Quantum Computing, Silicon Foundry, July 14, 2020. https://sifoundry.medium.com/near-future-quantum-computing-caae89b0498e

[6] Quantum Computing: A View from the Trenches. Research Notes, October 2021, Classiq. https://global-uploads.webflow.com/60000db7a5f449af5e4590ac/615e07579c877baed322b40b_Classiq%20Oct%2021%20full%20survey.pdf

[7] QPath® is finally available for developing truly real agnostic quantum systems. José Luis Hevia, Mario Piattini, Guido Peterssen. https://www.quantumpath.es/2021/10/27/qpath-is-finally-available-for-developing-truly-real-agnostic-quantum-systems/

[8] Implementation of Bernstein-Vazirani algorithm in QPath®. QuantumPath® Tutorials. Version: 1.0.2021.

[9] The Talavera Manifesto for Quantum Software Engineering and Programming. Mario Piattini, Guido Peterssen, Ricardo Pérez-Castillo, José L. Hevia, Manuel A. Serrano, Guillermo Hernández, Ignacio García Rodríguez de Guzmán, Claudo A. Paradela, Macario Polo, Ezequiel Murina, Luis Jiménez, Juan C. Marqueño, Ramsés Gallego, Jordi Tura, Frank Phillipson, Juan M. Murillo, Alfonso Niño, and Moisés Rodríguez. 2020, https://www.aquantum.es/manifesto/

[10] Towards a quantum software engineering. M., Piattini, M. Serrano, R. Pérez-Castillo, G. Peterssen, and J. L. Hevia. IT Prof., vol. 23, no. 1, pp. 62–66, Jan.-Feb. 2021. doi: 10.1109/MITP.2020.3019522. https://ieeexplore.ieee.org/document/9340056

[11] Quantum Computing. Jose Luis Hevia, Guido Peterssen, Christof Ebert, Mario Piattini. IEEE Softw. 38(5): 7-15 (2021). https://ieeexplore.ieee.org/document/9520227

[12] QPath capabilities. https://www.quantumpath.es/qpath-capabilities/

[13] https://www.quantumpath.es/2021/02/11/qpath-solves-most-of-the-quality-problems-of-quantum-computing-platforms/