Para os seres humanos, o ruído de fundo geralmente é apenas um irritante menor.Mas para computadores quânticos, que são muito sensíveis, pode ser um ponto de morte para cálculos.E porque o "ruído" para um computador quântico aumenta à medida que o computador é encarregado de cálculos mais complexos, ele pode rapidamente se tornar um grande obstáculo.
Mas como os computadores quânticos podem ser incrivelmente úteis, os pesquisadores têm experimentado maneiras de contornar o problema do ruído.Normalmente, eles tentam medir o ruído para corrigi -lo, com sucesso misto.
Um grupo de cientistas da Universidade de Chicago e Purdue University colaborou em uma nova técnica: em vez de tentar medir diretamente o ruído, eles construem uma "impressão digital" exclusiva do ruído em um computador quântico, como é visto por um programa executadono computador.
Essa abordagem, dizem eles, mostra promessa para mitigar o problema do ruído - além de sugerir maneiras pelas quais os usuários poderiam realmente dar ruído em seu proveito.
"Nós nos perguntamos se havia uma maneira de trabalhar com o barulho, em vez de contra", disse David Mazziotti, professor do Departamento de Química, James Franck Institute e Chicago Quantum Exchange e co-autor do estudo, que foipublicado em janeiro.25 In Nature Communications Physics.
"Uma nova abordagem"
Os computadores quânticos são baseados nas leis de como as partículas se comportam no nível atômico.Nesse nível, as partículas obedecem a um conjunto de regras muito estranhas;Eles podem estar em dois estados diferentes de uma só vez ou se enredarem no espaço.Os cientistas esperam aproveitar essas habilidades como base para os computadores.
Em particular, muitos cientistas querem usar computadores quânticos para entender melhor as regras do mundo natural, porque as moléculas operam de acordo com as leis da mecânica quântica - que teoricamente devem ser mais fáceis de simular usando um computador quântico.
Mas, apesar dos avanços significativos na tecnologia de computação quântica na última década, a capacidade computacional ficou para as esperanças dos cientistas.Muitos assumiram que aumentar o número de bits de computador - "qubits", para computadores quânticos - ajudaria.
"Nós pensamos que talvez fosse hora de uma nova abordagem", disse o co-autor Sabre Kais, professor de física e química da Universidade de Purdue.
Até o momento, os cientistas tentaram entender o efeito do ruído medindo diretamente o ruído em cada qubit.Mas catalogar essas mudanças discretas é difícil e, o grupo pensou, talvez nem sempre a rota mais eficiente.
"Muitas vezes em física, é realmente mais fácil entender o comportamento geral de um sistema do que saber o que cada parte está fazendo", disse o co-autor Zixuan Hu, pesquisador de pós-doutorado da Purdue.“Por exemplo, é difícil simular o que cada molécula em um copo de água está fazendo, mas é muito mais fácil prever o comportamento do todo.”
Então, em vez de tentar medir com precisão o ruído real, os cientistas decidiram fazer um teste para ter uma noção do ruído geral que os computadores quânticos experimentam.
Eles escolheram um cálculo particular de uma molécula exibindo comportamento quântico e o executaram como uma simulação em um computador quântico.Em seguida, eles ajustaram as configurações sobre o problema em várias direções diferentes e acompanharam como o ruído respondeu."Ao montar tudo isso, construímos uma 'impressão digital' do barulho, como percebido pela simulação que estamos executando", disse Mazziotti.
Hu explicou que a execução de um cálculo de uma molécula que já é bem conhecida os ajudou a provocar os efeitos específicos do ruído.
"Sabemos muito pouco sobre computadores quânticos e ruído, mas sabemos muito bem como essa molécula se comporta quando excitada", disse Hu."Então, usamos computadores quânticos, sobre os quais não sabemos muito, para imitar uma molécula com a qual estamos familiarizados, e vemos como isso se comporta.Com esses padrões familiares, podemos desenhar algum entendimento.”
Esta operação oferece uma visão mais "olho-pássaro" do ruído que os computadores quânticos simulam, disse Scott Smart, um pH.D.estudante da Universidade de Chicago e primeiro autor no jornal.
Os autores esperam que essas informações possam ajudar os pesquisadores a pensar em como projetar novas maneiras de corrigir o ruído.Pode até sugerir maneiras pelas quais o ruído pode ser útil, disse Mazziotti.
Por exemplo, se você está tentando simular um sistema quântico, como uma molécula no mundo real, sabe que ele estará experimentando ruído - porque o ruído existe no mundo real.Sob a abordagem anterior, você usa o poder computacional para adicionar uma simulação desse ruído.
"Mas, em vez de construir o ruído como operação adicional em um computador quântico, talvez possamos realmente usar o ruído intrínseco a um computador quântico para imitar o ruído em um problema quântico difícil de resolver em um computador convencional", disse Mazziotti.
Os autores acreditam que essa abordagem única do problema de ruído é útil, pois os pesquisadores continuam a explorar o jovem campo da computação quântica.
"Ainda não temos certeza de que tipos de problemas para os quais os computadores quânticos serão mais úteis", disse Mazziotti.“Esperamos que isso forneça uma maneira diferente de pensar em ruído que abrirá novos caminhos para simular moléculas com dispositivos quânticos.”
Citação: “Relaxamento de estados estacionários em um computador quântico produz uma impressão digital espectroscópica exclusiva do ruído do computador.”Smart, Hu, Kais e Mazziotti, Nature Communications Physics, Jan.25, 2022.
Financiamento: u.S.Escritório de Ciências da Energia Básica do Departamento de Energia, National Science Foundation.Reconhecemos o uso de serviços quânticos da IBM para este trabalho.
