Simulador cuántico récord de 53 qubits presentado

• Físicos han construido 53 imanes cuánticos interactivos, haciendo posibles configuraciones de imanes en el orden de los cuadrillones.
• Es un tipo restringido de ordenador cuántico que usa qubits atómicos para imitar materia cuántica compleja.
• Midieron cada qubit con una eficiencia de aproximadamente el 99%.

Físicos de la Universidad de Maryland y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología han usado 53 qubits atómicos interactivos para imitar materia cuántica magnética, estableciendo un nuevo récord. Es la mayor simulación cuántica jamás realizada con medición de alta eficiencia en una sola toma de qubits individuales.

Usaron hasta 53 iones de iterbio, que son átomos cambiados atrapados por electrodos afilados recubiertos de oro. Un sistema complementario desarrollado por científicos de MIT y Harvard usa 51 átomos de rubidio confinados por haces láser. Esta plataforma experimental podría extenderse para resolver problemas cuánticos difíciles (como muestreo de Ising) que están mucho más allá de los límites del superordenador moderno más rápido.

Simulaciones con números menores de qubits de iones atrapados ya se han demostrado, y ahora con un mayor nivel de control sobre la interacción entre espines, este sistema puede actualizarse a un ordenador cuántico universal.

Todos los qubits de iones son relojes atómicos estables, que podrían replicarse fácilmente. Haces láser externos se usan para unirlos eficientemente, lo que significa que el mismo dispositivo puede reconfigurarse sin perturbar ajustes internos. Esto se hace para adaptar cualquier tipo de aplicación de computación cuántica que surja en el futuro. Veamos qué han desarrollado realmente y cómo es beneficioso.

¿Qué son exactamente los simuladores cuánticos?

Los sistemas cuánticos son difíciles de estudiar en laboratorio y casi imposibles de modelar usando un superordenador, por eso usamos simuladores cuánticos para estudiar 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 tiempo exponencial en un ordenador convencional. Sin embargo, podemos simularlo mediante un ordenador cuántico usando múltiples bits cuánticos similares al número de partículas en el sistema original. Esto se ha extendido a una amplia gama de categorías de sistemas cuánticos.

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

Usar hardware cuántico para problemas cuánticos

Los superordenadores modernos no pueden manejar más de 20 objetos cuánticos interactivos. Ese es el caso del magnetismo cuántico, donde las interacciones podrían llevar a alineación magnética a escala cuántica.

Los problemas cuánticos son típicamente difíciles porque cada imán interactúa con todos los demás imanes en el sistema. El simulador que han desarrollado los físicos tiene 53 imanes cuánticos interactivos, haciendo posibles configuraciones de imanes en el orden de los cuadrillones. Este número se duplica con la adición de cada imán individual.

Es un tipo restringido de ordenador cuántico que usa qubits para imitar materia cuántica compleja. Los qubits pueden aislarse 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, el bloque de construcción versátil de toda la materia. En los últimos años, los físicos han tenido un gran éxito controlando hasta 20 qubits en simulaciones cuánticas a pequeña escala.

¿Por qué usar átomos?

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

A diferencia de los ordenadores actuales, los qubits atómicos se almacenan dentro de una cámara de vacío a temperatura ambiente, lo que mantiene su presión muy similar al espacio exterior. El aislamiento de los qubits permite a los físicos controlar precisamente los qubits atómicos con láseres especiales, espejos, fibras ópticas, lentes y circuitos eléctricos. Actualmente, la mayoría de grandes empresas tecnológicas, universidades e incluso startups se centran en desarrollar prototipos de máquinas cuánticas que puedan controlar un gran número de qubits.

Simulador de 53 qubits

Todos los qubits atómicos tienen la misma carga eléctrica, por lo que se repelen entre sí. Al empujarse mutuamente más lejos, un campo eléctrico personalizado los fuerza a volver juntos. Estas dos fuerzas se equilibran, haciendo que los iones se mantengan en una sola línea. Los científicos utilizan la repulsión inherente para generar interacciones ión-a-ián, esenciales para simular materia cuántica interactiva.

El pulso láser controla todos los qubits y les ordena entrar en el mismo estado para comenzar la simulación cuántica. Otro conjunto de haces láser interactúa con los qubits atómicos, haciéndolos actuar como diminutos imanes. Ahora los qubits pueden apuntar en dirección aleatoria, resultando en ninguna magnetización, o alinear sus polos con sus vecinos para crear un ferromagneto. Los científicos pueden alterar la intensidad de los haces y analizar qué fase gana bajo numerosas condiciones láser.

Referencia: Universidad de Maryland | Nature | DOI:10.1038/nature24654

Toma solo unos pocos milisegundos para que toda la simulación tenga lugar. Repitiendo este proceso varias veces y analizando los estados finales en diferentes puntos, los científicos pueden observar el proceso a medida que se desarrolla desde el principio hasta el final. Ayudaría a entender cómo los imanes de qubits se organizan según diferentes fases.

Dibujo artístico de láser manipulando qubits atómicos | Crédito: E. Edwards/JQI

El equipo de investigación aplicó una interacción de largo alcance con rango y fuerza controlables, y calculó cada qubit con una eficiencia de aproximadamente el 99%, lo que significa que muchas correlaciones de muchos cuerpos entre qubits podrían calcularse en una sola toma, permitiendo sondear directamente la transición de fase dinámica y revelar características intratables que dependen de 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 realizar eficazmente.

¿Qué sigue?

Estos tipos de simuladores cuánticos ayudarían a los científicos a implementar circuitos cuánticos, y finalmente conectar múltiples cadenas de iones para desarrollar un ordenador cuántico completo 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 podrán explorar problemas aún más duros en diseño de materiales y química cuántica. D-Wave, por otro lado, afirma producir 2.000 qubits en un chip.

En contraste, Intel, Google e IBM emplean circuitos electrónicos superconductores para construir sus propios ordenadores cuánticos.