Los investigadores han desarrollado un nuevo protocolo para la evaluación comparativa de las puertas cuánticas, un paso crítico hacia la realización de todo el potencial de la computación cuántica y potencialmente acelerando el progreso hacia las computadoras cuánticas tolerantes a las fallas.
El nuevo protocolo, llamado evaluación comparativa determinista (DB), proporciona un método más detallado y eficiente para identificar tipos específicos de ruido cuántico y errores en comparación con las técnicas existentes ampliamente utilizadas.
“La computación cuántica está limitada en última instancia por la precisión que podemos implementar las puertas: las operaciones básicas de un procesador cuántico”, dijo Daniel Lidar, autor correspondiente al estudio y profesor de ingeniería eléctrica e informática, química y astronomía en la Facultad de Ingeniería de la USC Viterbi y la USC Dornsife School of Letters, Arts and Sciences. “Nuestro nuevo protocolo puede identificar tipos de error coherentes e incoherentes utilizando solo un puñado de experimentos simples, lo que lo hace mucho más eficiente que los enfoques actuales”.
Puertas y errores cuánticos
La computación cuántica puede tener el potencial de resolver problemas complejos que están fuera del alcance de las computadoras tradicionales o clásicas. Sin embargo, la precisión de los cálculos cuánticos depende en gran medida del rendimiento de las puertas cuánticas, que son propensas a los errores debido al ruido y la mala calibración.
Las puertas cuánticas realizan operaciones en qubits, que son el equivalente cuántico de los bits de computadora clásicos; Son esenciales para construir algoritmos cuánticos y son los bloques de construcción fundamentales de los circuitos cuánticos y los cálculos cuánticos. Permiten que las computadoras cuánticas ejecuten algoritmos que son exponencialmente más rápido que los algoritmos que se ejecutan en computadoras clásicas para ciertas tareas.
Sin embargo, las puertas cuánticas son susceptibles al ruido y los errores, por lo que la evaluación comparativa y la corrección de errores son áreas críticas de investigación en la computación cuántica. Las dos categorías principales son errores coherentes e incoherentes. Los errores coherentes son errores deterministas y repetibles que preservan la pureza del estado cuántico. Los errores coherentes se acumulan como amplitudes (en lugar de probabilidades), lo que potencialmente conduce a una acumulación de errores cuadráticamente más rápida que los errores incoherentes.
Los errores incoherentes son una categoría de errores que resultan de la interacción de los sistemas cuánticos con el entorno; Estos errores roban las computadoras cuánticas de su cuánta, dejándolas que no funcionen mejor que las computadoras clásicas.
Los físicos se han dado cuenta recientemente del importante papel que desempeñan los errores coherentes para limitar el rendimiento de la computadora cuántica. Eli Levenson-Falk, autor co-correspondiente del estudio y profesor asistente de física y astronomía e ingeniería eléctrica e informática en USC Dornsife, enfatiza la importancia de la evaluación comparativa precisa de los errores de la puerta.
“Lo único de nuestro enfoque es que puede distinguir claramente entre diferentes tipos de errores cuánticos”, Levenson-Falk. “Esto es essential porque ciertos tipos de error, particularmente errores coherentes, pueden ser más destructivos para los algoritmos cuánticos y requieren diferentes estrategias de mitigación”.
La evaluación comparativa determinista mejora la eficiencia
Los puntos de referencia cuánticos son un conjunto de protocolos y métodos utilizados para evaluar el rendimiento de la computadora cuántica common, que incluye sus puertas, circuitos y procesadores. Estos protocolos son cruciales para el desarrollo y la optimización de las tecnologías de computación cuántica al proporcionar medidas cuantitativas de qué tan bien se realizan las operaciones cuánticas en presencia de ruido y errores.
Lidar, quien ocupa puestos de facultad en la Facultad de Ingeniería de la USC Viterbi y la Facultad de Letras, Artes y Ciencias de la USC Dornsife, dijo que la evaluación comparativa determinista (DB) es un avance significativo en la computación cuántica porque es determinista y eficiente. A diferencia de otros métodos de evaluación comparativa, DB utiliza un conjunto pequeño y fijo de secuencias de par de pulso simples en lugar de promediar los circuitos aleatorios.
Los investigadores dijeron que la clave para comprender el avance de DB es compararlo con la evaluación comparativa aleatoria (RB), un método ampliamente utilizado para estimar la tasa de error promedio de las puertas cuánticas. A diferencia de RB, que promedia muchas secuencias de puerta aleatoria para proporcionar una sola métrica de error, DB utiliza secuencias diseñadas para detectar fuentes de error específicas que pasan desapercibidas cuando se usa RB.
El nuevo método abre oportunidades para avances en química cuántica, ciencia de los materiales
Los investigadores demostraron dB en un qubit transmonon de superconducción, un tipo de qubit superconductor ampliamente utilizado en la computación cuántica, para mostrar su capacidad para detectar pequeños cambios en los parámetros de qubit que son invisibles para las técnicas de evaluación comparativa estándar.
“Al realizar varios experimentos, demostramos la variedad de capacidades de DB”, dijo Lidar. Dijo que la capacidad destacada de DB es que proporciona información detallada sobre errores coherentes e incoherentes, lo que permite una mejor calibración de puertas cuánticas. DB también requiere menos ejecuciones experimentales que RB, lo que mejora la eficiencia de los recursos.
La investigación tiene implicaciones significativas para la química cuántica y las aplicaciones de ciencia de materiales, donde las operaciones precisas de la puerta son esenciales para lograr simulaciones confiables de sistemas moleculares.
Los investigadores planean explorar formas de extender DB a puertas de dos colas, lo que podría conducir a circuitos cuánticos más complejos. Además, están investigando cómo DB se puede adaptar a otras plataformas de computación cuántica más allá de los qubits superconductoras, como los iones atrapados y los sistemas fotónicos.
Esta investigación fue apoyada por la Nationwide Science Basis, la subvención Quantum Leap Massive Concept No. OMA-1936388, la Oficina de Investigación del Ejército Muri Grant No. W911NF-22-S-0007 y la Actividad de Proyectos de Investigación Avanzada de Inteligencia (IARPA) bajo el Acuerdo Cooperativo No. W911NF- 23-2-0216.
