Problema de compensación de la computación cuántica abordado por un nuevo sistema

Problema de compensación de la computación cuántica abordado por un nuevo sistema
Problema de compensación de la computación cuántica abordado por un nuevo sistema
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El diagrama de circuito de la izquierda ilustra cómo el equipo de investigadores de Chalmers pudo activar y desactivar diferentes operaciones enviando pulsos de microondas (flecha ondulada) al sistema de control integrado en el oscilador. Los investigadores utilizaron el sistema para generar el llamado estado de fase cúbica, que es un recurso cuántico para la corrección de errores cuánticos. Las áreas azules a la derecha son las llamadas regiones negativas de Wigner, una firma clara de las propiedades cuánticas del estado. Crédito: Universidad Tecnológica de Chalmers/Timo Hillman

El potencial de los ordenadores cuánticos se ve actualmente frustrado por un problema de compensación. Los sistemas cuánticos que pueden llevar a cabo operaciones complejas son menos tolerantes a los errores y al ruido, mientras que los sistemas que están más protegidos contra el ruido son más difíciles y lentos de computar.

Ahora, un equipo de investigación de la Universidad Tecnológica de Chalmers en Suecia ha creado un sistema único que combate el dilema, allanando así el camino para tiempos de cálculo más prolongados y ordenadores cuánticos más robustos.

Para que el impacto de las computadoras cuánticas se haga realidad en la sociedad, los investigadores cuánticos primero deben enfrentar algunos obstáculos importantes. Hasta ahora, los errores y ruidos derivados, por ejemplo, de interferencias electromagnéticas o fluctuaciones magnéticas, hacen que los qubits sensibles pierdan sus estados cuánticos y, por tanto, su capacidad de continuar con el cálculo. Por tanto, el tiempo que un ordenador cuántico puede trabajar en un problema es hasta ahora limitado.

Además, para que una computadora cuántica pueda abordar problemas complejos, los investigadores cuánticos deben encontrar una manera de controlar los estados cuánticos. Al igual que un automóvil sin volante, los estados cuánticos pueden considerarse algo inútiles si no existe un sistema de control eficiente para manipularlos.

Sin embargo, el campo de la investigación se enfrenta a un problema de compensación. Los sistemas cuánticos que permiten una corrección de errores eficiente y tiempos de cálculo más largos son, por otro lado, deficientes en su capacidad para controlar los estados cuánticos, y viceversa. Pero ahora, un equipo de investigación de la Universidad Tecnológica de Chalmers ha logrado encontrar una manera de combatir este dilema.

“Hemos creado un sistema que permite operaciones extremadamente complejas en un sistema cuántico de múltiples estados, a una velocidad sin precedentes”. dice Simone Gasparinetti, líder del laboratorio 202Q de la Universidad Tecnológica de Chalmers y autor principal del estudio.

Se desvía del principio de los dos estados cuánticos

Mientras que los componentes básicos de una computadora clásica, los bits, tienen el valor 1 o 0, los componentes más comunes de las computadoras cuánticas, los qubits, pueden tener el valor 1 y 0 al mismo tiempo, en cualquier combinación. El fenómeno se llama superposición y es uno de los ingredientes clave que permiten a una computadora cuántica realizar cálculos simultáneos, con un enorme potencial informático como resultado.

Sin embargo, los qubits codificados en sistemas físicos son extremadamente sensibles a los errores, lo que ha llevado a los investigadores en el campo a buscar formas de detectar y corregir estos errores. El sistema creado por los investigadores de Chalmers se basa en la llamada computación cuántica de variable continua y utiliza osciladores armónicos, un tipo de componente microscópico, para codificar información de forma lineal.

Los osciladores utilizados en el estudio consisten en finas tiras de material superconductor modeladas sobre un sustrato aislante para formar resonadores de microondas, una tecnología totalmente compatible con las computadoras cuánticas superconductoras más avanzadas.

El método ya es conocido en este campo y se aparta del principio de los dos estados cuánticos, ya que ofrece un número mucho mayor de estados físicos cuánticos, lo que hace que los ordenadores cuánticos estén mucho mejor equipados contra errores y ruido.

“Piense en un qubit como una lámpara azul que, mecánicamente cuánticamente, puede encenderse y apagarse simultáneamente. Por el contrario, un sistema cuántico variable continuo es como un arco iris infinito, que ofrece un gradiente continuo de colores. Esto ilustra su capacidad para acceder un gran número de estados, lo que ofrece posibilidades mucho más ricas que los dos estados del qubit”, afirma Axel Eriksson, investigador en tecnología cuántica de la Universidad Tecnológica de Chalmers y autor principal del estudio.

El método combate el problema de compensación entre la complejidad de la operación y la tolerancia a fallas

Aunque la computación cuántica de variable continua basada en osciladores armónicos permite una mejor corrección de errores, su naturaleza lineal no permite realizar operaciones complejas.

Se han realizado intentos de combinar osciladores armónicos con sistemas de control, como sistemas cuánticos superconductores, pero se han visto obstaculizados por el llamado efecto Kerr. El efecto Kerr, a su vez, codifica los numerosos estados cuánticos ofrecidos por el oscilador, cancelando el efecto deseado.

Al colocar un dispositivo de sistema de control dentro del oscilador, los investigadores de Chalmers pudieron evitar el efecto Kerr y combatir el problema de la compensación. El sistema presenta una solución que preserva las ventajas de los osciladores armónicos, como un camino eficiente en el uso de recursos hacia la tolerancia a fallas, al tiempo que permite un control preciso de los estados cuánticos a alta velocidad.

El sistema se describe en un artículo publicado en Comunicaciones de la naturaleza y puede allanar el camino para computadoras cuánticas más robustas.

“Nuestra comunidad a menudo ha tratado de mantener los elementos superconductores alejados de los osciladores cuánticos, no de codificar los frágiles estados cuánticos. En este trabajo, hemos desafiado este paradigma. Al incorporar un dispositivo de control en el corazón del oscilador pudimos evitar la codificación los numerosos estados cuánticos y al mismo tiempo poder controlarlos y manipularlos.

“Como resultado, demostramos un nuevo conjunto de operaciones de puerta realizadas a muy alta velocidad”, dice Gasparinetti.

Más información:
Axel M. Eriksson et al, Control universal de un modo bosónico mediante interacciones cúbicas nativas activadas por el accionamiento, Comunicaciones de la naturaleza (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-46507-1

Proporcionado por la Universidad Tecnológica de Chalmers

Cita: Problema de compensación de la computación cuántica abordado por un nuevo sistema (2024, 18 de junio) recuperado el 18 de junio de 2024 de https://phys.org/news/2024-06-quantum-problem.html

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