Para los humanos, el ruido de fondo es generalmente solo un irritante menor.Pero para las computadoras cuánticas, que son muy sensibles, puede ser una sentencia de muerte para los cálculos.Y debido a que el "ruido" para una computadora cuántica aumenta a medida que la computadora tiene la tarea de cálculos más complejos, puede convertirse rápidamente en un obstáculo importante.
Pero debido a que las computadoras cuánticas podrían ser increíblemente útiles, los investigadores han estado experimentando con formas de evitar el problema de ruido.Por lo general, intentan medir el ruido para corregirlo, con éxito mixto.
Un grupo de científicos de la Universidad de Chicago y la Universidad de Purdue colaboró en una nueva técnica: en lugar de tratar directamente de medir el ruido, en su lugar construyen una "huella digital" única del ruido en una computadora cuántica como lo ve un programa ejecutado.en la computadora.
Este enfoque, dicen, se muestra prometedor para mitigar el problema del ruido, así como sugerir formas en que los usuarios realmente podrían tener el ruido para su ventaja..
"Nos preguntamos si había una manera de trabajar con el ruido, en lugar de contra él", dijo David Mazziotti, profesor del Departamento de Química, Instituto James Franck y el Chicago Quantum Exchange y coautor del estudio, que fuepublicado enero.25 en la naturaleza de la física de comunicaciones.
"Un nuevo enfoque"
Las computadoras cuánticas se basan en las leyes de cómo se comportan las partículas a nivel atómico.En ese nivel, las partículas obedecen un conjunto de reglas muy extrañas;Pueden estar en dos estados diferentes a la vez, o estar "enredados" en todo el espacio.Los científicos esperan aprovechar estas habilidades como base para las computadoras.
En particular, muchos científicos quieren usar computadoras cuánticas para comprender mejor las reglas del mundo natural, porque las moléculas operan de acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica, que teóricamente debería ser más fácil de simular usando una computadora cuántica.
Pero a pesar de los avances significativos en la tecnología de computación cuántica durante la última década, la capacidad computacional se ha retrasado las esperanzas de los científicos.Muchos habían asumido que aumentar la cantidad de bits de computadora (los "qubits", para las computadoras cuánticas) ayudarían a aliviar el problema de ruido, pero dado que el ruido limita la precisión, los científicos aún no han podido realizar muchos de los cálculos que les gustaría.
"Pensamos que podría ser el momento de un nuevo enfoque", dijo el coautor Saber Kais, profesor de física y química de la Universidad de Purdue.
Hasta la fecha, los científicos han tratado de comprender el efecto del ruido midiendo directamente el ruido en cada qubit.Pero catalogarse de tales cambios discretos es difícil y, pensó el grupo, tal vez no siempre la ruta más eficiente.
"Muy a menudo en física, en realidad es más fácil entender el comportamiento general de un sistema que saber lo que cada parte está haciendo", dijo el coautor Zixuan Hu, investigador postdoctoral de Purdue.“Por ejemplo, es difícil simular lo que está haciendo cada molécula en un vaso de agua, pero es mucho más fácil predecir el comportamiento del todo."
Entonces, en lugar de tratar de medir con precisión el ruido real, los científicos decidieron realizar una prueba para tener una idea del ruido general que experimentan las computadoras cuánticas.
Eligieron un cálculo particular de una molécula que muestra el comportamiento cuántico y lo ejecutaron como una simulación en una computadora cuántica.Luego ajustaron la configuración del problema en varias direcciones diferentes y realizaron un seguimiento de cómo respondió el ruido.. “By putting this all together, we build a ‘fingerprint’ of the noise as perceived by the simulation that we’re running," said Mazziotti.
Hu explicó que ejecutar un cálculo de una molécula que ya es bien conocida les ayudó a descubrir los efectos específicos del ruido..
“We know very little about quantum computers and noise, but we know really well how this molecule behaves when excited," said Hu."Entonces usamos computadoras cuánticas, de las que no sabemos mucho, para imitar una molécula con la que estamos familiarizados y vemos cómo se comporta.Con esos patrones familiares podemos atraer algo de comprensión."
Esta operación ofrece una vista más de "pájaro" del ruido que simulan las computadoras cuánticas, dijo Scott Smart, un pH.D.Estudiante de la Universidad de Chicago y primer autor en el periódico.
Los autores esperan que esta información pueda ayudar a los investigadores mientras piensan en cómo diseñar nuevas formas de corregir el ruido..Incluso podría sugerir formas en que el ruido podría ser útil, dijo Mazziotti.
Por ejemplo, si está tratando de simular un sistema cuántico como una molécula en el mundo real, sabe que experimentará ruido, porque existe ruido en el mundo real.Según el enfoque anterior, utiliza la potencia computacional para agregar una simulación de ese ruido.
“But instead of building noise in as additional operation on a quantum computer, maybe we could actually use the noise intrinsic to a quantum computer to mimic the noise in a quantum problem that is difficult to solve on a conventional computer," Mazziotti said.
Los autores creen que este enfoque único para el problema del ruido es útil a medida que los investigadores continúan explorando el campo joven de la computación cuántica..
“We’re still not even sure what kinds of problems for which quantum computers will be most useful," Mazziotti said.“Esperamos que esto proporcione una forma diferente de pensar sobre el ruido que abrirá nuevas vías para simular moléculas con dispositivos cuánticos."
Cita: "La relajación de los estados estacionarios en una computadora cuántica produce una huella digital espectroscópica única del ruido de la computadora." Smart, Hu, Kais, and Mazziotti, Nature Communications Physics, Jan.25, 2022.
Financiación: u.S.Oficina del Departamento de Energía de Ciencias de la Energía Básica, National Science Foundation.Reconocemos el uso de servicios cuánticos IBM para este trabajo.
