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7 de junio de 2023

A pesar de su inmensa promesa de resolver nuevos tipos de problemas, las computadoras cuánticas actuales son inherentemente propensas a errores. Una pequeña perturbación en su entorno circundante, por ejemplo, un cambio en la temperatura, la presión o el campo magnético, puede alterar sus frágiles bloques de construcción computacionales, llamados qubits.

Ahora, los investigadores de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular 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 línea en Science, se basa en qubits de espectador: 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 espectadores se puede usar para cancelar el ruido en qubits de procesamiento de datos vitales.

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

"Con este enfoque, podemos mejorar de manera muy sólida la calidad de los qubits de datos", dijo Bernien. "Veo que esto es muy importante en el contexto de la computación cuántica y la simulación cuántica".

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

"Es una tarea muy desalentadora y difícil tratar de corregir los errores dentro de un sistema cuántico", dijo Bernien.

Los físicos teóricos habían propuesto previamente una solución utilizando qubits espectadores, un conjunto de qubits que no almacenan los datos necesarios pero que podrían integrarse en una computadora cuántica. Los qubits de espectador rastrearían los cambios en el entorno, actuando como el micrófono contenido dentro de los auriculares con cancelación de ruido. Un micrófono, por supuesto, detecta solo ondas de sonido, mientras que los qubits espectadores propuestos responderían a cualquier perturbación ambiental capaz de alterar los qubits.

El grupo de Bernien se dispuso a 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 átomos neutros, los átomos se suspenden en su lugar utilizando rayos láser llamados pinzas ópticas, que Bernien ayudó a desarrollar, lo que le valió elogios como el Premio New Horizons in Physics 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 sobre la capacidad de fabricar un procesador cuántico atómico híbrido que contiene 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 son 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 asegurarse de que el sistema fuera lo suficientemente rápido: cualquier ajuste a los átomos de rubidio tenía que ser casi instantáneo.

"Lo que es realmente emocionante de esto es que no solo minimiza el ruido de los qubits de datos, sino que es un ejemplo de interacción real 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 captaron correctamente este ruido y su sistema lo canceló en los átomos de rubidio en tiempo real.

Sin embargo, el grupo de investigación dice que el prototipo inicial es solo 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 la sensibilidad de este sistema en gran medida, pero se necesitará más trabajo para implementarlo", dijo Bernien. "Este fue un gran punto de partida".

Eventualmente, Bernien imagina que un sistema de qubits espectadores podría ejecutarse constantemente en el fondo de cualquier computadora cuántica de átomos neutros y también en computadoras cuánticas de otras arquitecturas, minimizando el error a medida que la computadora almacena datos y realiza cálculos.

—Adaptado de un artículo publicado por primera vez por la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular.

Cita: "Corrección de mitad de circuito de errores de fase correlacionados utilizando una matriz de qubits espectadores". Singh et al, Science, 25 de mayo de 2023.

Financiamiento: Oficina de Investigación Naval de EE. UU., Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU., Fundación Nacional de Ciencias QLCI para Arquitecturas y Redes Cuánticas Híbridas, Fundación Sloan.

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