Emulador de algoritmos cuánticos en FPGA utilizando herramientas de diseño de alto nivel

Abstract

A pesar de los avances de los últimos años en materia de tecnología cuántica, uno de los campos de investigación en los cuales grandes empresas internacionales están invirtiendo una gran cantidad de tiempo y recursos, no existe hoy una computadora cuántica a gran escala. La ausencia de hardware cuántico dificulta el diseño de nuevos algoritmos. Por otra parte, una alternativa que permite avanzar en esta linea es la utilización de emuladores que permitan modelar los algoritmos existentes y diseñar nuevas alternativas. La principal ventaja de la computación cuántica por sobre la clásica es la posibilidad de procesar datos en forma paralela naturalmente. En tal sentido, resulta conveniente disponer de un método que emule el comportamiento de la forma más exacta posible. En este trabajo se propone un método que realice esta tarea de manera flexible aprovechando la tecnología FPGA (field-programmable gate array) y que reduzca los tiempos tanto de diseño como de procesamiento. Se utilizan herramientas del entorno Vivado R que permiten programar bloques a alto nivel que luego son sintetizados a código RTL. El potencial del emulador es puesto a prueba mediante la implementación de dos de los algoritmos de mayor importancia: la transformada cuántica de Fourier (QFT) y el algoritmo de búsqueda de Grover. Se describe con detalle cada paso del diseño y se estudia el rendimiento del circuito para diferentes casos.