Curso (gratuito y en línea) – Algoritmos Cuánticos Variacionales

I. Nombre del curso

Introducción a los algoritmos cuánticos variacionales.


II. Biografía sucinta del profesor

Ernesto Campos es Ingeniero Físico Industrial y Maestro en Ciencias de la Computación por el Tecnológico de Monterrey. Durante sus estudios de licenciatura, Ernesto trabajó en óptica cuántica y, durante la maestría, concentró su investigación en el uso de caminatas cuánticas y tunelamiento cuántico para la solución de instancias difíciles del K-SAT [1]. Actualmente, Ernesto es estudiante de doctorado en Skoltech bajo la supervisión de Jacob Biamonte [2,3] y su tema de investigación es algoritmos variacionales cuánticos [4].

[1] https://www.nature.com/articles/s41598-021-95801-1

[2] https://faculty.skoltech.ru/people/ernestocampos

[3] http://deepquantum.ai/

[4] https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.103.032607


III. Organización del curso e inscripción

Este curso es organizado por The Unconventional Computing Lab ( https://unconventionalcomputing.org/ ). El curso es totalmente gratuito. Nuestro objetivo y sincero deseo es promover, en América Latina, la educación, la investigación y el desarrollo de aplicaciones industriales de la computación cuántica.

La inscripción al curso consiste en llenar el formulario disponible en https://forms.gle/awciBNBzDEvm5o1U6

Los datos solicitados en este formulario serán utilizados exclusivamente para dos fines:

  • Conocer la formación académica de los participantes, que será empleada para diseñar y seleccionar las actividades y reactivos educativos que usaremos a lo largo del curso.
  • Para la realización de estadísticas que serán utilizadas en informes, reportes técnicos y artículos de investigación derivados de esta experiencia de enseñanza-aprendizaje.


IV. Motivación

Los algoritmos cuánticos variacionales constituyen una disciplina fértil y promisoria en el diseño de soluciones a problemas de frontera utilizando computadoras cuánticas, en su estado actual de desarrollo [Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) computers]. La comprensión y la diseminación del conocimiento respecto de este tipo de algoritmos es un paso indispensable hacia la construcción de la industria de la tecnología cuántica en América Latina, ese es el origen y motivación de este curso.


V. Objetivo

Impartir un curso formal que disemine las ideas y las técnicas fundamentales de los algoritmos variacionales cuánticos.


VI. Público meta

Éste es un curso avanzado de algoritmos cuánticos que requiere, por parte de los asistentes, familiaridad con los cálculos y nociones teóricas fundamentales de la computación cuántica. Por este motivo, el nivel académico requerido para tomar el curso es haber tomado al menos un curso de introducción al cómputo cuántico en el que se haya estudiado, al menos y con detalle, algoritmos cuánticos de primera generación como Deutsch-Jozsa y Grover.

En caso de no tener el nivel esperado en algoritmos cuánticos, invitamos a los interesados a inscribirse y aprovechar las semanas siguientes tomando el curso de introducción a la computación cuántica que está disponible, gratuitamente, en el canal de YouTube de Salvador E. Venegas Andraca: https://www.youtube.com/channel/UC79Efam8SsDWNi3tS5mPJTg/videos  

Además, es importante que los asistentes lleguen familiarizados con el lenguaje Python. En caso de no conocer este lenguaje, recomendamos los siguientes recursos en línea y gratuitos:


VII. Lengua de impartición

Español con lecturas en inglés.


VIII. Medios de comunicación

Los videos del curso estarán disponibles en el canal de Youtube de The Unconventional Computing Lab (https://www.youtube.com/channel/UCxafWub1ayjixDsAAGM2tZA). Los documentos del curso (artículos, tareas, ejercicios) se distribuirán a través del canal de Discord  que crearemos para nuestro curso.  Además, se invita a los participantes a formar parte de nuestros canales de comunicación en FB y Twitter:


IX. Metodología de impartición

Nuestro curso está compuesto por Bloques de Conocimiento. Cada bloque dura dos semanas y tiene tres elementos:

  1. Una clase impartida por el profesor y grabada previamente. Esta clase estará disponible en la primera semana del bloque y tendrá el contenido correspondiente, así como ejercicios y demostraciones a realizar como tareas. El video de esta clase será colocado en el canal de YouTube de The Unconventional Computing Lab (https://www.youtube.com/channel/UCxafWub1ayjixDsAAGM2tZA) entre el lunes y el miércoles de la primera semana de cada bloque.
  2. Un canal para las preguntas que surgiesen del estudio de la clase del inciso a). Estas preguntas se formularán durante la primera semana y el inicio de la segunda semana del bloque.
  3. Una sesión de solución de tareas y de solución de las preguntas del inciso 1. Esta sesión también estará grabada y el video correspondiente será colocado en el canal de YouTube de The Unconventional Computing Lab (https://www.youtube.com/channel/UCxafWub1ayjixDsAAGM2tZA) entre el jueves y el sábado de la segunda semana del bloque.

Por ejemplo, estudiemos la estructura del Bloque de Conocimiento 01 (una de las secciones de nuestro servidor en Discord):

  1. En el canal de Discord de nuestro curso encontrarán una sección titulada BLOQUE CONOCIMIENTO 01.
  2. La primera semana de ese bloque es la que inicia el lunes 04 de octubre. Esa semana, entre el lunes 04 y el miércoles 06, colocaremos el video de la clase 01 en el canal de YouTube de The Unconventional Computing Lab. La liga del video así como la presentación, archivos y datos adicionales de esta primera clase estarán en el canal #clase01-04oct2021 que se encuentra dentro de la sección BLOQUE CONOCIMIENTO 01.
  3. Las preguntas que surgiesen de la clase 01 se escribirán en el canal #clase01-preguntas que se encuentra dentro de la sección BLOQUE CONOCIMIENTO 01. El periodo para formular estas preguntas inicia cuando el video de la clase 01 esté disponible y termina a las 23:59 hrs del martes de la segunda semana del bloque (hora de la Ciudad de México), esto es, termina el martes 12 de octubre de 2021.
  4. Finalmente, entre el jueves y el sábado de la segunda semana de este primer bloque, esto es, entre el jueves 14 y el sábado 16 de octubre, liberaremos el video de la sesión 01 (esto es, lo colocaremos en el canal de YouTube de The Unconventional Computing), sesión que tendrá la solución de la tarea de la clase 01 así como las respuestas de las preguntas hechas en el canal #clase01-04oct2021. La liga del video así como la presentación, archivos y datos adicionales de esta sesión estarán en el canal #sesióntyr01-11oct2021 que se encuentra dentro de la sección BLOQUE CONOCIMIENTO 01.


X. Inicio del curso y duración

Semana que inicia el lunes 04 de octubre de 2021. En principio, el curso tendrá una duración de veinticuatro semanas, la cual puede variar dependiendo de la velocidad con que se impartan los contenidos.


XI. Temario

1. Antecedentes – Revisión de conceptos preliminares

  • Álgebra lineal. Espacios de Hilbert, operadores hermitianos y unitarios, eigenvalores y eigenvectores, descomposición de una martiz hermitiana en la base de Pauli, exponenciación de matrices.
  • Postulados de la mecánica cuántica y formulación de Schrödinger de la mecánica cuántica (Schrödinger picture).
  • Redes de tensores.
  • Modelo de compuertas cuánticas: matrices de Pauli, compuertas de 2 qubits.
  • Operaciones unitarias: propiedades, compuertas unitarias parametrizadas (e.g. $e^{iX\theta}$), compuertas de 2 qubits (e.g. CNOT,CZ) y compuertas de 2 qubits parametrizadas (e.g $CR_y(\theta)$).
  • Algoritmo de Grover.
  • Redes neuronales artificiales. Esquema de capas en las redes neuronales, que son las funciones de costo y gradient descent.

2. Algoritmos cuánticos variacionales I

  • Circuitos Ansatz.
  • Algoritmo cuántico variacional para el cálculo de eigenvalores (Variational Quantum Eigensolver).
  • Compilación asistida por tecnología cuántica (Quantum-assisted compiler).
  • Construcciones telescópicas (Telescopic constructions – Embedding quantum circuits into a variational sequence).
  • Universalidad computacional de los algoritmos cuánticos variacionales.

3. Algoritmos cuánticos variacionales II

  • Influencias: computación cuántica adiabática y caminatas cuánticas.
  • Troterización.
  • Quantum Approximate Optimization Algorithm.
  • Problem embeddings (SAT, Grover, Maxcut, State preparation).
  • Universalidad computacional de los algoritmos cuánticos variacionales.

4. Conferencistas invitados

  • Tendremos conferencistas invitados para compartir experiencias en el desarrollo de aplicaciones basadas en algoritmos cuánticos variacionales.


XII. Herramientas computacionales

Para la realización de ejercicios y simulaciones, utilizaremos las siguientes herramientas/plataformas computacionales: Python, la librería Scipy de Python, Jupyter y Qiskit (ambiente de programación cuántica de IBM), entre otras.

Entendemos que los antecedentes académicos de los participantes serán heterogéneos, razón por la que durante el curso daremos una introducción a las herramientas que empleemos. Sólo pedimos que los asistentes lleguen familiarizados con el lenguaje Python y para ello recomendamos los siguientes recursos en línea y gratuitos:


XIII. Disclaimer

Este curso es impartido de forma voluntaria e independiente. Este curso no está vinculado a ninguna de las instituciones en que laboran y/o estudian los ponentes y organizadores del mismo. En consecuencia, no es posible generar ningún diploma ni certificado por parte de las instituciones referidas.