Nuevo paradigma de la computación cuántica: juego

Por Laboratorio Nacional de Los Alamos26 de agosto de 2023

La estrategia de la computación cuántica utiliza un campo magnético simple para rotar qubits, como los espines de los electrones, en un sistema cuántico natural.

El uso de interacciones cuánticas naturales permite un cálculo más rápido y sólido para el algoritmo de Grover y muchos otros.

Los Alamos National Laboratory scientists have developed a groundbreaking quantum computingPerforming computation using quantum-mechanical phenomena such as superposition and entanglement." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Enfoque de computación cuántica que utiliza interacciones cuánticas naturales. Este método promete qubits de mayor duración, resolución eficiente de problemas con el algoritmo de Grover y una importante resistencia a errores.

Un enfoque teórico potencialmente innovador para el hardware de computación cuántica evita gran parte de la complejidad problemática que se encuentra en las computadoras cuánticas actuales. La estrategia implementa un algoritmo en interacciones cuánticas naturales para procesar una variedad de problemas del mundo real más rápido que las computadoras clásicas o las computadoras cuánticas convencionales basadas en puertas.

"Nuestro hallazgo elimina muchos requisitos desafiantes para el hardware cuántico", dijo Nikolai Sinitsyn, físico teórico del Laboratorio Nacional de Los Álamos. Es coautor de un artículo sobre este enfoque, que se publicó el 14 de agosto en la revista Physical Review A. "Los sistemas naturales, como los espines electrónicos de los defectos del diamante, tienen precisamente el tipo de interacciones necesarias para nuestro proceso de cálculo".

Sinitsyn dijo que el equipo espera colaborar con físicos experimentales también en Los Alamos para demostrar su enfoque utilizando átomos ultrafríos. Las tecnologías modernas en átomos ultrafríos están lo suficientemente avanzadas como para demostrar tales cálculos con alrededor de 40 a 60 qubits, dijo, lo que es suficiente para resolver muchos problemas que actualmente no son accesibles mediante el cálculo clásico o binario. Un qubit es la unidad básica de información cuántica, análoga a un bit en la informática clásica familiar.

En lugar de establecer un complejo sistema de puertas lógicas entre varios qubits que deben compartir entrelazamiento cuántico, la nueva estrategia utiliza un campo magnético simple para rotar los qubits, como los espines de los electrones, en un sistema natural. La evolución precisa de los estados de espín es todo lo que se necesita para implementar el algoritmo. Sinitsyn dijo que el enfoque podría usarse para resolver muchos problemas prácticos propuestos para las computadoras cuánticas.

La computación cuántica sigue siendo un campo incipiente que se ve perjudicado por la dificultad de conectar qubits en largas cadenas de puertas lógicas y mantener el entrelazamiento cuántico necesario para la computación. El entrelazamiento se rompe en un proceso conocido como decoherencia, cuando los qubits entrelazados comienzan a interactuar con el mundo fuera del sistema cuántico de la computadora, introduciendo errores. Esto sucede rápidamente, lo que limita el tiempo de cálculo. La verdadera corrección de errores aún no se ha implementado en hardware cuántico.

El nuevo enfoque se basa en un entrelazamiento natural en lugar de inducido, por lo que requiere menos conexiones entre qubits. Eso reduce el impacto de la decoherencia. Por lo tanto, los qubits viven durante un tiempo relativamente largo, dijo Sinitsyn.

El artículo teórico del equipo de Los Álamos mostró cómo el enfoque podría resolver un problema de partición de números utilizando el algoritmo de Grover más rápido que las computadoras cuánticas existentes. Como uno de los algoritmos cuánticos más conocidos, permite búsquedas no estructuradas de grandes conjuntos de datos que devoran los recursos informáticos convencionales. Por ejemplo, dijo Sinitsyn, el algoritmo de Grover se puede utilizar para dividir el tiempo de ejecución de tareas equitativamente entre dos computadoras, de modo que finalicen al mismo tiempo, junto con otros trabajos prácticos. El algoritmo se adapta bien a computadoras cuánticas idealizadas y con corrección de errores, aunque es difícil de implementar en las máquinas actuales propensas a errores.

Las computadoras cuánticas están diseñadas para realizar cálculos mucho más rápido que cualquier dispositivo clásico, pero hasta ahora han sido extremadamente difíciles de realizar, dijo Sinitsyn. Una computadora cuántica convencional implementa circuitos cuánticos: secuencias de operaciones elementales con diferentes pares de qubits.

Los teóricos de Los Álamos propusieron una alternativa intrigante.

"Nos dimos cuenta de que para muchos problemas computacionales famosos, es suficiente tener un sistema cuántico con interacciones elementales, en el que solo un espín cuántico, realizable con dos qubits, interactúa con el resto de los qubits computacionales", dijo Sinitsyn. "Entonces, un único pulso magnético que actúa sólo sobre el espín central implementa la parte más compleja del algoritmo cuántico de Grover". Esta operación cuántica, llamada oráculo de Grover, apunta a la solución deseada.

"En el proceso no se necesitan interacciones directas entre los qubits computacionales ni interacciones dependientes del tiempo con el espín central", dijo. Una vez que se establecen los acoplamientos estáticos entre el espín central y los qubits, todo el cálculo consiste únicamente en aplicar simples pulsos de campo externos dependientes del tiempo que hacen girar los espines, dijo.

Es importante destacar que el equipo demostró que este tipo de operaciones se pueden realizar rápidamente. El equipo también descubrió que su enfoque está topológicamente protegido. Es decir, es robusto contra muchos errores en la precisión de los campos de control y otros parámetros físicos incluso sin corrección de errores cuánticos.

Referencia: “El oráculo de Grover topológicamente protegido para el problema de la partición” por Nikolai A. Sinitsyn y Bin Yan, 14 de agosto de 2023, Physical Review A.DOI: 10.1103/PhysRevA.108.022412

Financiamiento: Oficina de Ciencias del Departamento de Energía, Oficina de Investigación en Computación Científica Avanzada y el programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio del Laboratorio Nacional de Los Álamos.