Se presenta el simulador cuántico de 53 qubits que bate récords

• Los físicos han construido 53 imanes cuánticos que interactúan, lo que hace posible una configuración de cuatrillones de imanes.
• Es una computadora cuántica de tipo restringido que utiliza qubits atómicos para imitar materia cuántica complicada.
• Medieron cada qubit con una eficiencia de alrededor del 99 por ciento.

Físicos de la Universidad de Maryland y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología han utilizado 53 qubits atómicos en interacción para imitar la materia cuántica magnética, estableciendo un nuevo récord. Es la simulación cuántica más grande jamás realizada con medición de disparo único de alta eficiencia de qubits individuales.

Utilizaron hasta 53 iones de iterbio, que son átomos transformados atrapados por electrodos afilados y recubiertos de oro. Un sistema complementario desarrollado por científicos del MIT y Harvard utiliza 51 átomos de rubidio confinados por rayos láser. Esta plataforma experimental podría ampliarse para resolver problemas cuánticos difíciles (como el muestreo de Ising) que están mucho más allá de los límites de la supercomputadora moderna más rápida.

Ya se han demostrado simulaciones con números más pequeños de qubits de iones atrapados y ahora, con un mayor nivel de control sobre la interacción entre espines, este sistema se puede actualizar a una computadora cuántica universal.

Todos los qubits de iones son relojes atómicos estables, que podrían replicarse fácilmente. Se utilizan rayos láser externos para unirlos de manera eficiente, lo que significa que el mismo dispositivo se puede reconfigurar sin alterar la configuración interna. Esto se hace para adaptar cualquier tipo de aplicación de computación cuántica que surja en el futuro. Descubramos qué han desarrollado realmente y cómo es beneficioso.

¿Qué son exactamente los simuladores cuánticos?

Los sistemas cuánticos son difíciles de estudiar en el laboratorio y casi imposibles de modelar usando una supercomputadora, por eso utilizamos un simulador cuántico para estudiar los patrones y características de la computación cuántica. Están especialmente desarrollados para proporcionar detalles de ciertos problemas de física.

La técnica para simular un sistema cuántico con múltiples partículas requiere un tiempo exponencial en una computadora convencional. Sin embargo, podemos simularlo a través de una computadora cuántica utilizando múltiples bits cuánticos similares a la cantidad de partículas en el sistema original. Esto se ha extendido a una amplia gama de categorías de sistemas cuánticos.

Hasta la fecha, se han realizado simuladores cuánticos en numerosas plataformas, como iones atrapados, circuitos superconductores, gases cuánticos ultrafríos y sistemas fotónicos.

Uso de hardware cuántico para problemas cuánticos

La supercomputadora moderna no puede manejar más de 20 objetos cuánticos en interacción. Ese es el caso del magnetismo cuántico, donde las interacciones podrían conducir a una alineación magnética a escala cuántica.

Los problemas cuánticos suelen ser difíciles porque cada imán interactúa con todos los demás imanes del sistema. El simulador que han desarrollado los físicos tiene 53 imanes cuánticos que interactúan, lo que hace posible una configuración de billones de imanes. Este número se duplica con la adición de cada imán.

Es un tipo restringido de computadora cuántica que utiliza qubits para imitar materia cuántica compleja. Los Qubits se pueden aislar y pueden estar en dos o más estados a la vez. Vienen en numerosas formas y la opción preferida para construir qubits son los átomos, que son el componente versátil de todas las cosas. En los últimos años, los físicos han logrado un gran éxito al controlar hasta 20 qubits en simulaciones cuánticas a pequeña escala.

¿Por qué utilizar átomos?

Para proteger la naturaleza cuántica del dispositivo, los qubits deben permanecer aislados del medio ambiente. La protección se vuelve más difícil con la adición de cada qubit, especialmente si no son idénticos desde el principio, como en los circuitos fabricados. Ésta es una de las principales razones por las que los átomos son la opción preferida para los qubits. Con los átomos, la maquinaria cuántica podría ampliarse fácilmente en comparación con los circuitos fabricados.

A diferencia de las computadoras actuales, los qubits atómicos se almacenan dentro de una cámara de vacío a temperatura ambiente, lo que mantiene su presión muy similar a la del espacio exterior. El aislamiento de los qubits permite a los físicos controlar con precisión los qubits atómicos con láseres, espejos, fibras ópticas, lentes y circuitos eléctricos especiales.
En la actualidad, la mayoría de las empresas gigantes tecnológicas, universidades e incluso nuevas empresas se están centrando en desarrollar prototipos de máquinas cuánticas que puedan controlar una gran cantidad de qubits.

Simulador de 53 Qubits

Todos los qubits atómicos tienen la misma carga eléctrica, por lo que se repelen entre sí. A medida que se alejan más, un campo eléctrico personalizado los obliga a volver a unirse. Estas dos fuerzas se equilibran entre sí, haciendo que los iones permanezcan en una sola línea. Los científicos utilizan la repulsión inherente para generar interacciones entre iones, que son esenciales para simular la interacción de la materia cuántica.

El pulso láser controla todos los qubits y los ordena al mismo estado para comenzar la simulación cuántica. Luego, otro conjunto de rayos láser interactúa con los qubits atómicos, haciéndolos actuar como pequeños imanes. Ahora los qubits pueden apuntar en una dirección aleatoria, lo que no genera magnetización, o alinear sus polos con sus vecinos para crear un ferroimán. Los científicos pueden alterar la intensidad del rayo y analizar qué fase gana en numerosas condiciones del láser.

Referencia:Universidad de Maryland | Naturaleza | DOI:10.1038/naturaleza24654

Sólo se necesitan unos pocos milisegundos para que se lleve a cabo la simulación completa. Al repetir este proceso varias veces y analizar los estados finales en diferentes puntos, los científicos pueden observar el proceso a medida que se desarrolla de principio a fin. Sería útil comprender cómo se organizan los imanes qubit según las diferentes fases.

Artistas dibujando un láser manipulando qubits atómicos | Crédito:E. Edwards/JQI

El equipo de investigación aplicó una interacción de largo alcance con alcance y fuerza controlables, y calculó cada qubit con una eficiencia de alrededor del 99 por ciento, lo que significa que muchas correlaciones corporales entre qubits podrían calcularse de una sola vez, permitiendo que la transición de fase dinámica explore directamente y revele características intratables que dependen de una alta conectividad e interacciones de largo alcance entre qubits.

Aunque el simulador es apropiado para sondear materia magnética, diferentes tipos de cálculos requieren una máquina cuántica más general con interacciones programables para poder realizarse de manera efectiva.

¿Qué sigue?

Este tipo de simuladores cuánticos ayudarían a los científicos a implementar circuitos cuánticos y, en última instancia, conectar cuánticamente múltiples cadenas de iones para desarrollar una computadora cuántica completa con una amplia gama de aplicaciones.

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El equipo de investigación afirma que pronto podrán controlar hasta 100 qubits de iones o más. En ese punto, potencialmente podrán explorar problemas aún más difíciles en el diseño de materiales y la química cuántica. D-Wave, por otro lado, afirma estar produciendo 2000 qubits en un chip.

Por el contrario, Intel, Google e IBM emplean circuitos electrónicos superconductores para construir sus propios ordenadores cuánticos.