Las computadoras cuánticas tienen el potencial de acelerar el cálculo, ayudar a diseñar nuevos medicamentos, romper códigos y descubrir nuevos materiales exóticos, pero eso es solo cuando son realmente funcionales.
Una cosa clave que se interpone en el camino: el ruido o los errores que se producen durante los cálculos en una máquina cuántica, lo que de hecho los hace menos potentes que las computadoras clásicas, hasta hace poco.
Daniel Lidar, titular de la profesión de Viterbi en Ingeniería y profesor de ingeniería eléctrica y informática en la Escuela de Ingeniería de la USC Viterbi, ha estado iterando sobre la corrección de errores cuánticos, y en un nuevo estudio junto con colaboradores en USC y Johns Hopkins, ha podido demostrar una escala exponencial de 127-QUENTUM CUENTUM CUENTUM. El documento, “Demostración de la aceleración cuántica algorítmica para un problema de subgrupos ocultos abelianos”, se publicó en APS Flagship Journal Revisión física x.
“Anteriormente ha habido demostraciones de tipos más modestos de aceleraciones como una aceleración polinomial, cube Lidar, quien también es el cofundador de Quantum Components, Inc.” Pero una aceleración exponencial es el tipo de velocidad más dramático que esperamos ver de las computadoras cuánticas “.
El hito clave para la computación cuántica, cube Lidar, siempre ha sido demostrar que podemos ejecutar algoritmos completos con una aceleración de escala en relación con las computadoras “clásicas” ordinarias.
Él aclara que una aceleración de escala no significa que puedas hacer cosas, digamos, 100 veces más rápido. “Más bien, es que a medida que aumenta el tamaño de un problema al incluir más variables, la brecha entre la cantidad cuántica y el rendimiento clásico sigue creciendo. Y una aceleración exponencial significa que la brecha de rendimiento se duplica aproximadamente para cada variable adicional. Además, la aceleración que demostramos es incondicional”.
Lo que hace que una acedente sea “incondicional”, explica Lidar, es que no depende de ninguna suposición no probada. Las reclamaciones de aceleración previa requirieron la suposición de que no hay un mejor algoritmo clásico contra el cual comparar el algoritmo cuántico. Aquí, el equipo liderado por LIDAR usó un algoritmo que modificaron para la computadora cuántica para resolver una variación del “problema de Simon”, un ejemplo temprano de algoritmos cuánticos que pueden, en teoría, resolver una tarea exponencialmente más rápido que cualquier contraparte clásica, incondicionalmente.
El problema de Simon implica encontrar un patrón de repetición oculto en una función matemática y se considera el precursor de lo que se conoce como algoritmo de factoring Shor, que puede usarse para romper los códigos y lanzar todo el campo de la computación cuántica. El problema de Simon es como un juego de adivinanzas, donde los jugadores intentan adivinar un número secreto conocido solo para el anfitrión del juego (el “Oracle”). Una vez que un jugador adivina dos números para los cuales las respuestas devueltas por el Oráculo son idénticos, se revela el número secreto y ese jugador gana. Los jugadores cuánticos pueden ganar este juego exponencialmente más rápido que los jugadores clásicos.
Entonces, ¿cómo logró el equipo su aceleración exponencial? Phattharaporn Singkanipa, investigador doctoral de la USC y primer autor, cube: “La clave fue apretar cada onza de rendimiento del {hardware}: circuitos más cortos, secuencias de pulso más inteligentes y mitigación de errores estadísticos”.
Los investigadores lograron esto de cuatro maneras diferentes:
Primero, limitaron la entrada de datos restringiendo cuántos números secretos se permitirían (técnicamente, limitando el número de 1 en la representación binaria del conjunto de números secretos). Esto dio como resultado menos operaciones lógicas cuánticas de lo que se necesitaría de otra manera, lo que redujo la oportunidad de acumulación de errores.
En segundo lugar, comprimieron el número de operaciones lógicas cuánticas requeridas tanto como sea posible utilizando un método conocido como transpilación.
En tercer lugar, y lo más importante, los investigadores aplicaron un método llamado “desacoplamiento dinámico”, lo que significa aplicar secuencias de pulsos cuidadosamente diseñados para separar el comportamiento de los qubits dentro de la computadora cuántica desde su ruidoso entorno y mantener el procesamiento cuántico en el camino. El desacoplamiento dinámico tuvo el impacto más dramático en su capacidad para demostrar una aceleración cuántica.
Finalmente, aplicaron la “mitigación de errores de medición”, un método que encuentra y corrige ciertos errores que quedan después del desacoplamiento dinámico debido a las imperfecciones en la medición del estado de los qubits al closing del algoritmo.
Cube Lidar, quien también es profesor de química y física en el USC Dornsife School of Letters, Arts and Science, “La comunidad de computación cuántica muestra cómo los procesadores cuánticos están comenzando a superar a sus contrapartes clásicas en tareas específicas, y están en un territorio que simplemente no puede alcanzar., Nuestro resultado ya muestra que ya muestran que los computadoros cuantos de un lado de una ventaja de una calificación.
Agrega que con esta nueva investigación, la separación de rendimiento no se puede revertir porque la aceleración exponencial que hemos demostrado es, por primera vez, incondicional “. En otras palabras, la ventaja de rendimiento cuántico se está volviendo cada vez más difícil de disputar.
Siguientes pasos:
LiDAR advierte que “este resultado no tiene aplicaciones prácticas más allá de ganar juegos de adivinanzas, y queda mucho más trabajo por hacer antes de que se pueda afirmar que las computadoras cuánticas han resuelto un problema práctico del mundo actual”.
Esto requerirá demostrar velocidades que no dependen de “oráculos” que conozcan la respuesta de antemano y que hagan avances significativos en los métodos para reducir aún más el ruido y la decoherencia en computadoras cuánticas cada vez más grandes. Sin embargo, la “promesa en papel” previamente de las computadoras cuánticas para proporcionar aceleración exponencial se ha demostrado firmemente.
Divulgación: USC es un centro de innovación cuántica IBM. Quantum Components, Inc. es una startup en la purple cuántica IBM.
