Uso elegante del ruido en la computación cuántica

Científicos de todo el mundo están trabajando arduamente para purgar el ruido de los sistemas cuánticos, lo que podría alterar la funcionalidad de potentes computadoras cuánticas en el futuro. Investigadores del Instituto Niels Bohr (NBI) han encontrado una manera de utilizar el ruido para procesar información cuántica. Esto aumenta el rendimiento de la unidad de computación cuántica, el qubit.

Una colaboración internacional dirigida por científicos del Instituto Niels Bohr (NBI) de la Universidad de Copenhague ha demostrado un enfoque alternativo. Su método permite utilizar ruido para procesar información cuántica. Como resultado, el rendimiento de la unidad básica de información cuántica, el qubit, aumentó en un 700%.

Estos resultados esta publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza.

«Evitar el ruido en los sistemas cuánticos ha resultado difícil, porque casi cualquier cambio en el entorno puede estropear las cosas. Por ejemplo, su sistema podría estar operando en un determinado campo magnético o eléctrico, y si ese campo cambia aunque sea ligeramente, los efectos cuánticos se descomponen. .”

«Proponemos un enfoque completamente diferente. En lugar de eliminar el ruido, utilizamos un monitoreo continuo del ruido en tiempo real y adaptamos el sistema a los cambios en el entorno», dice Ph.D. El investigador del NBI, Fabrizio Beretta, autor principal del estudio.

Este nuevo enfoque es posible gracias a los recientes avances en varias áreas de tecnología avanzada.

«Anteriormente, digamos hace 20 años, era posible visualizar las fluctuaciones después de un experimento, pero usar esta información durante el experimento real habría sido muy lento. Usamos una FPGA [field-programable-gate-array] Tecnología para obtener mediciones en tiempo real. Además, utilizamos el aprendizaje automático para acelerar el proceso de análisis”, explica Beretta.

«La idea es obtener las mediciones y realizar el análisis en el mismo microprocesador que controla el sistema en tiempo real. De lo contrario, el esquema no sería lo suficientemente rápido para aplicaciones de computación cuántica».

Las propiedades cuánticas añaden valor

En la informática actual, la unidad básica de información transferible, conocida como bit, está relacionada con la carga de los electrones. Sólo puede tener uno de dos valores, uno o cero, y hay electrones o no hay ninguno. La correspondiente unidad de computación cuántica, conocida como qubit, podrá asumir más de dos valores.

La cantidad de información contenida en cada qubit crecerá exponencialmente con la cantidad de propiedades cuánticas que uno pueda controlar, lo que algún día podría conducir a computadoras que sean sorprendentemente más poderosas que las clásicas.

Uno de los principios fundamentales de la mecánica cuántica es que las partículas elementales no sólo tienen masa y carga, sino también espín. Otro término clave es entrelazamiento. Aquí, dos o más partículas interactúan de tal manera que el estado cuántico de una partícula no puede describirse independientemente del estado de la otra partícula.

El protocolo detrás de los nuevos resultados combina un bit cuántico de triple espín implementado en un punto cuántico dual de arseniuro de galio con controladores qubit compatibles con FPGA. Un qubit contiene dos electrones y los estados de ambos electrones están entrelazados.

Un esfuerzo de equipo multidisciplinario

Al igual que otros qubits de espín, los qubits simples y triples son vulnerables incluso a pequeñas perturbaciones en su entorno. Los físicos utilizan el término «ruido», que no debe tomarse literalmente como ruido acústico. En relación con los sistemas cuánticos, las perturbaciones como las fluctuaciones del campo eléctrico o magnético pueden corromper los estados cuánticos de interés.

Para demostrar el uso beneficioso de las fluctuaciones ambientales, los investigadores eligieron este qubit porque su acoplamiento tanto con el ruido magnético como con el ruido eléctrico se comprende bien a partir de una serie de estudios previos en el NBI, dirigidos por el profesor Ferdinand Kuemith, que dirige un grupo de investigación sobre semiconductores y superconductividad. Hardware cuántico en NBI.

El nuevo estudio reunió a grupos de investigación de NBI, la Universidad Purdue, la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología, QDevil (Copenhague) y Quantum Machines (Tel Aviv) en una variedad de campos como materiales qubit, fabricación de qubit, controladores de qubit e información cuántica. teoría y aprendizaje automático.

«Esta colaboración demuestra que el desarrollo de ordenadores cuánticos ya no es una actividad que puedan llevar a cabo grupos de físicos individuales», afirma Kuemeth. «Si hubiéramos excluido a alguno de nuestros socios, este trabajo no habría sido posible».

Un mejor enfoque del ruido

Los investigadores ven el nuevo protocolo como un hito hacia el desarrollo de las computadoras cuánticas, pero también se dan cuenta de que deben lograrse muchos otros hitos.

«El siguiente paso para nosotros será aplicar nuestro protocolo a sistemas fabricados con diferentes materiales y con más de un qubit», afirma Beretta. «No puedo decir cuándo veremos la primera computadora cuántica realmente útil. Tal vez dentro de 10 años.

«En cualquier caso, creemos que hemos encontrado un enfoque prometedor. Muchos colegas se están centrando en eliminar el ruido para desarrollar mejores qubits, por ejemplo mejorando la calidad de los materiales utilizados para fabricar los qubits. Lo hemos demostrado bajo ciertas condiciones». Condiciones que se pueden modificar efectivamente para algún ruido. «Esto puede ser relevante para otros tipos de qubits además del de nuestro estudio».