Desacoplamiento dinámico: avance para mejorar el rendimiento de computadoras cuánticas

• 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 los años 1980. La idea es usar bits cuánticos (qubits que pueden estar en superposiciones de estados) en lugar de bits binarios para realizar cálculos de forma segura y a velocidad extremadamente rápida.

Tres décadas después, el campo de la computación cuántica sigue en su infancia. Aunque se han realizado cientos de pruebas en las que se ejecutaron computaciones cuánticas en un pequeño número de qubits.

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

Sin embargo, tienen algunas limitaciones. Son altamente propensas a errores y requieren estabilidad para sostener operaciones. Normalmente, no funcionan correctamente y producen malos resultados. Investigadores de todo el mundo aún no han logrado una máquina cuántica que supere a un ordenador tradicional en ninguna tarea.

El principal problema de las computadoras cuánticas actuales es el «ruido» —perturbación causada por vibración, temperatura y sonido. Genera decoherencia, que puede hacer inestables los qubits al interrumpir la duración de un estado cuántico. Esto disminuye 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 donde la computación cuántica se vuelve práctica y más productiva que los ordenadores 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 minimizando cálculos erróneos mientras aumenta la fidelidad de los resultados. El método se conoce como Desacoplamiento Dinámico (DD) y funcionó en 2 computadoras cuánticas.

El DD se desarrolló para suprimir la decoherencia mediante la aplicación de pulsos al sistema, que cancelan la interacción entre sistema y entorno a un orden dado en teoría de perturbaciones dependiente del tiempo. En general, no requiere sobrecarga de codificación y funciona transformando puertas cuánticas en pulsos de desacoplamiento.

Referencia: Physical Review Letters | doi:10.1103/PhysRevLett.121.220502 | USC

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

Aplicando Desacoplamiento Dinámico en las máquinas cuánticas actuales

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

Procesador cuántico de 8 qubits | Crédito de imagen: Rigetti Computing

El método puede proteger estados entrelazados de dos qubits en cierta medida. Diferentes secuencias de desacoplamiento dinámico pueden mitigar tanto errores de desfasaje como de emisión espontánea. A diferencia de estudios previos, no usaron código de corrección de errores cuánticos y así lograron mejoras excepcionales en fidelidad contra decoherencia natural.

La fidelidad final para el QX5 de IBM saltó del 28,9 % al 88,4 %, mientras que para el Acorn de Rigetti mejoró del 59,8 % al 77,1 %. Los investigadores también descubrieron que más pulsos siempre permiten que las mejoras de fidelidad se mantengan por más tiempo en la computadora cuántica de Rigetti, mientras que para la de 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 existentes de corrección de errores cuánticos.