Los investigadores desarrollan 'ruido'

25 de mayo de 2023

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por Sarah CP Williams, Universidad de Chicago

A pesar de su inmensa promesa de resolver nuevos tipos de problemas, las computadoras cuánticas actuales son inherentemente propensas a cometer errores. Una pequeña perturbación en el entorno que los rodea (un cambio de temperatura, presión o campo magnético, por ejemplo) puede alterar sus frágiles componentes computacionales, llamados qubits.

Ahora, investigadores de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular (PME) de la Universidad de Chicago han desarrollado un nuevo método para monitorear constantemente el ruido alrededor de un sistema cuántico y ajustar los qubits, en tiempo real, para minimizar el error.

El enfoque, descrito en Science, se basa en qubits espectadores: un conjunto de qubits integrados en la computadora con el único propósito de medir el ruido exterior en lugar de almacenar datos. La información recopilada por dichos qubits de espectadores se puede utilizar para cancelar el ruido en qubits de procesamiento de datos vitales.

Asistente. El profesor Hannes Bernien, que dirigió la investigación, compara el nuevo sistema con unos auriculares con cancelación de ruido, que monitorean continuamente los ruidos circundantes y emiten frecuencias opuestas para cancelarlos.

"Con este enfoque podemos mejorar considerablemente la calidad de los qubits de datos", afirmó Bernien. "Considero que esto es muy importante en el contexto de la computación cuántica y la simulación cuántica".

A medida que las computadoras cuánticas existentes se amplían, el desafío del ruido y el error ha aumentado. El problema es doble: los Qubits cambian fácilmente en respuesta a su entorno, lo que puede alterar la información almacenada en su interior y provocar altas tasas de error. Además, si un científico mide un qubit para intentar medir el ruido al que ha estado expuesto, el estado del qubit colapsa y pierde sus datos.

"Intentar corregir los errores dentro de un sistema cuántico es una tarea muy difícil y de enormes proporciones", afirmó Bernien.

Los físicos teóricos habían propuesto previamente una solución utilizando qubits espectadores, un conjunto de qubits que no almacenan ningún dato necesario pero que podrían integrarse en una computadora cuántica. Los qubits espectadores rastrearían los cambios en el entorno, actuando como el micrófono contenido en los auriculares con cancelación de ruido. Por supuesto, un micrófono sólo detecta ondas sonoras, mientras que los qubits para espectadores propuestos responderían a cualquier perturbación ambiental capaz de alterar los qubits.

El grupo de Bernien se propuso demostrar que este concepto teórico podría usarse para cancelar el ruido en una matriz cuántica de átomos neutros: su computadora cuántica preferida.

En un procesador cuántico de átomo neutro, los átomos se suspenden en su lugar mediante rayos láser llamados pinzas ópticas, que Bernien ayudó a desarrollar, lo que le valió elogios como el Premio Nuevos Horizontes en Física 2023 de la Breakthrough Prize Foundation. En grandes conjuntos de estos átomos suspendidos, cada uno actúa como un qubit, capaz de almacenar y procesar información dentro de su estado de superposición.

En 2022, Bernien y sus colegas informaron por primera vez de la capacidad de fabricar un procesador cuántico atómico híbrido que contenga átomos de rubidio y cesio. Ahora, han adaptado ese procesador para que los átomos de rubidio actúen como qubits de datos mientras que los átomos de cesio sean qubits espectadores. El equipo diseñó un sistema para leer continuamente datos en tiempo real de los átomos de rubidio y, en respuesta, modificar los átomos de cesio con oscilaciones de microondas.

El desafío, dijo Bernien, era garantizar que el sistema fuera lo suficientemente rápido: cualquier ajuste en los átomos de rubidio tenía que ser casi instantáneo.

"Lo realmente interesante de esto es que no sólo minimiza el ruido de los qubits de datos, sino que es un ejemplo de interacción con un sistema cuántico en tiempo real", dijo Bernien.

Para probar su enfoque de minimización de errores, el grupo de Bernien expuso la matriz cuántica al ruido del campo magnético. Demostraron que los átomos de cesio captaban correctamente este ruido y luego su sistema lo cancelaba en los átomos de rubidio en tiempo real.

Sin embargo, el grupo de investigación afirma que el prototipo inicial es sólo un punto de partida. Les gustaría intentar aumentar la cantidad de ruido y variar los tipos de perturbaciones y probar si el enfoque se mantiene.

"Tenemos ideas interesantes sobre cómo mejorar en gran medida la sensibilidad de este sistema, pero se necesitará más trabajo para implementarlo", dijo Bernien. "Este fue un gran punto de partida".

Con el tiempo, Bernien imagina que un sistema de qubits espectadores podría funcionar constantemente en el fondo de cualquier computadora cuántica de átomo neutro y también de computadoras cuánticas de otras arquitecturas, minimizando el error a medida que la computadora almacena datos y realiza cálculos.

Más información: K. Singh et al, Corrección de circuito medio de errores de fase correlacionados utilizando una serie de qubits de espectadores, Science (2023). DOI: 10.1126/ciencia.ade5337

Proporcionado por la Universidad de Chicago