Un nuevo método para impulsar el rendimiento de la computadora cuántica

• Los investigadores diseñan un método teórico para mejorar el rendimiento de la computación cuántica.
• El método se conoce como desacoplamiento dinámico y funcionó en 2 computadoras cuánticas de pequeña escala.
• No requiere sobrecarga de codificación y funciona transformando puertas cuánticas en pulsos de desacoplamiento.

El concepto de computación cuántica se introdujo a principios de la década de 1980. La idea es utilizar bits cuánticos (qubits que pueden estar en superposiciones de estados) en lugar de bits binarios para realizar cálculos de forma segura y a una velocidad extremadamente rápida.

Tres décadas después, el campo de la computación cuántica todavía está en pañales. Aunque se han realizado cientos de pruebas en las que se ejecutaron cálculos cuánticos en una pequeña cantidad de qubits.

Se espera que las computadoras cuánticas sean varios millones de veces más rápidas que las supercomputadoras actuales y tienen el potencial de revolucionar la industria de las finanzas, la defensa, la tecnología de la información y la medicina. Utilizan el comportamiento de los átomos para realizar tareas increíblemente complejas a velocidades extremadamente rápidas.

Sin embargo, tienen algunas limitaciones. Son muy propensos a errores y requieren estabilidad para sostener las operaciones. Por lo general, no funcionan correctamente y producen malos resultados. Los investigadores de todo el mundo aún no han podido lograr una máquina cuántica que supere a una computadora tradicional en cualquier tarea.

El principal problema con las computadoras cuánticas actuales es el "ruido":la perturbación causada por la vibración, la temperatura y el sonido. Genera decoherencia, que puede hacer que los qubits sean inestables al interrumpir la duración de un estado cuántico. Esto reduce el tiempo que una máquina cuántica puede realizar una tarea con precisión (sin errores).

Una máquina cuántica con demasiada decoherencia no sirve de nada. Si puede resolver este problema, puede llegar al punto en que la computación cuántica se vuelve práctica y más productiva que las computadoras convencionales.

Recientemente, investigadores de la Universidad del Sur de California revelaron un método teórico para mejorar el rendimiento de la computación cuántica. Aborda una debilidad de las computadoras cuánticas actuales al minimizar los cálculos defectuosos al tiempo que aumenta la fidelidad de los resultados. El método se conoce como desacoplamiento dinámico (DD) y funcionó en 2 computadoras cuánticas.

DD está desarrollado para suprimir la decoherencia mediante la aplicación de pulsos aplicados al sistema, que cancelan la interacción entre el sistema y el entorno en un orden dado en la teoría de la perturbación dependiente del tiempo. En general, no requiere sobrecarga de codificación y funciona transformando puertas cuánticas en pulsos de desacoplamiento.

Referencia:Cartas de revisión física | doi:10.1103 / PhysRevLett.121.220502 | USC

Las secuencias de tiempo para estas pruebas fueron muy pequeñas:se registraron 200 pulsos en 0,6 microsegundos.

Aplicación del desacoplamiento dinámico en la máquina cuántica actual

Los investigadores probaron DD en 2 computadoras cuánticas, la QX5 de 16 qubit de IBM y la Acorn de 19 qubit de Rigetti, y descubrieron que es más fácil y confiable que otros métodos. Es adecuado para la implementación en computadoras cuánticas existentes a pequeña escala basadas en la nube.

El procesador cuántico de 8 qubit | Crédito de la imagen:Rigetti Computing

El método puede proteger estados de dos qubit entrelazados hasta cierto punto. Las diferentes secuencias de desacoplamiento dinámico pueden mitigar los errores de emisión espontáneos y de desfase. A diferencia de estudios anteriores, no utilizaron código de corrección de errores cuánticos y, por lo tanto, lograron mejoras excepcionales en la fidelidad frente a la decoherencia natural.

La fidelidad final para el QX5 de IBM saltó del 28,9% al 88,4%, mientras que para el Acron de Rigetti mejoró del 59,8% al 77,1%. Los investigadores también descubrieron que más ventajas siempre permiten que las mejoras de fidelidad se mantengan durante más tiempo en la computadora cuántica Rigetti, mientras que para la computadora IBM, había un límite de aproximadamente 100 pulsos.

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En general, el estudio muestra que el mecanismo de desacoplamiento dinámico funciona mucho mejor que las técnicas de corrección de errores cuánticos existentes.