Mientras varios grupos de investigación de todo el mundo compiten por construir una computadora cuántica escalable, Quedan preguntas sobre cómo se verificará el logro de la supremacía cuántica.

La supremacía cuántica es el término que describe la capacidad de una computadora cuántica para resolver una tarea computacional que sería prohibitivamente difícil para cualquier algoritmo clásico. Se considera un hito crítico en la computación cuántica, pero debido a que la naturaleza misma de la actividad cuántica desafía la corroboración tradicional, Ha habido esfuerzos paralelos para encontrar una manera de demostrar que se ha logrado la supremacía cuántica.

Investigadores de la Universidad de California, Berkeley, Acabo de intervenir dando una propuesta práctica líder conocida como muestreo de circuito aleatorio (RCS) un sello de aprobación calificado con el peso de la evidencia teórica de la complejidad detrás de él. El muestreo de circuitos aleatorios es la técnica que Google ha presentado para demostrar si ha logrado o no la supremacía cuántica con un chip de computadora de 72 qubit llamado Bristlecone. presentado a principios de este año.

Los teóricos informáticos de UC Berkeley publicaron su prueba de RCS como método de verificación en un artículo publicado el lunes, 29 de octubre en el diario Física de la naturaleza .

"La necesidad de pruebas sólidas de la supremacía cuántica está infravalorada, pero es importante precisar esto, "dijo el investigador principal del estudio, Umesh Vazirani, Roger A. Strauch Profesor de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación en UC Berkeley. "Además de ser un hito en el camino hacia las computadoras cuánticas útiles, La supremacía cuántica es un nuevo tipo de experimento de física para probar la mecánica cuántica en un nuevo régimen. La pregunta básica que debe responderse para cualquier experimento de este tipo es cuán seguros podemos estar de que el comportamiento observado es verdaderamente cuántico y no podría haber sido replicado por medios clásicos. Eso es lo que abordan nuestros resultados ".

Los otros investigadores de este artículo son Adam Bouland y Bill Fefferman, ambos becarios de investigación postdoctorales, y Chinmay Nirkhe, un doctorado estudiante, todo en el grupo de investigación de computación teórica de Vazirani.

La inversión en quantum se está calentando

El documento llega en medio de una actividad acelerada en el gobierno, academia e industria en ciencia de la información cuántica. El Congreso está considerando la Ley de Iniciativa Cuántica Nacional, y el mes pasado, El Departamento de Energía de EE. UU. y la Fundación Nacional de Ciencias anunciaron casi 250 millones de dólares en subvenciones para apoyar la investigación en ciencia y tecnologías cuánticas.

Al mismo tiempo, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y UC Berkeley anunciaron la formación de Berkeley Quantum, una asociación diseñada para acelerar y expandir la innovación en la ciencia de la información cuántica.

Hay mucho en juego a medida que aumenta la competencia internacional en la investigación cuántica y crece la necesidad de cálculos cada vez más complejos. Con la verdadera computación cuántica, problemas que no son prácticos ni siquiera para las supercomputadoras más rápidas hasta la fecha podrían ser relativamente eficientes de resolver. Sería un cambio de juego en criptografía, simulaciones de interacciones químicas y moleculares y aprendizaje automático.

Las computadoras cuánticas no están limitadas por los ceros y unos tradicionales de los bits de una computadora tradicional. En lugar de, bits cuánticos, o qubits, puede codificar 0s, 1s y cualquier superposición cuántica de los dos para crear múltiples estados simultáneamente.

Cuando Google presentó Bristlecone, dijo que la prueba empírica de su supremacía cuántica vendría a través del muestreo de circuito aleatorio, una técnica en la que el dispositivo usaría configuraciones aleatorias para comportarse como un circuito cuántico aleatorio. Para ser convincente También sería necesario que haya pruebas sólidas de que no existe un algoritmo clásico que se ejecute en una computadora clásica que pueda simular un circuito cuántico aleatorio. al menos en un período de tiempo razonable.

Detectando acentos cuánticos

El equipo de Vazirani se refirió a una analogía entre la salida del circuito cuántico aleatorio y una cadena de sílabas aleatorias en inglés:incluso si las sílabas no forman oraciones o palabras coherentes, todavía poseerán un "acento" inglés y serán reconociblemente diferentes del griego o del sánscrito.

Demostraron que producir una salida aleatoria con un "acento cuántico" es realmente difícil para una computadora clásica a través de una construcción teórica de complejidad técnica llamada "reducción de caso de peor a promedio".

El siguiente paso fue verificar que un dispositivo cuántico realmente hablaba con acento cuántico. Esto se basa en el principio Ricitos de oro:una máquina de 50 qubit es lo suficientemente grande como para ser potente, pero lo suficientemente pequeño para ser simulado por una supercomputadora clásica. Si es posible verificar que una máquina de 50 qubits habla con acento cuántico, entonces eso proporcionaría una fuerte evidencia de que una máquina de 100 qubit, que sería prohibitivamente difícil de simular clásicamente, lo haría, así como.

Pero incluso si una supercomputadora clásica estuviera programada para hablar con acento cuántico, ¿Podría reconocer a un hablante nativo? La única forma de verificar la salida del altavoz es mediante una prueba estadística, dijeron los investigadores de Berkeley. Los investigadores de Google proponen medir el grado de coincidencia mediante una métrica llamada "diferencia de entropía cruzada". Una puntuación de entropía cruzada de 1 sería una combinación ideal.

Se puede considerar que el supuesto dispositivo cuántico se comporta como un circuito cuántico ideal con ruido aleatorio agregado. Fefferman y Bouland dicen que la puntuación de entropía cruzada certificará la autenticidad del acento cuántico siempre que el ruido siempre agregue entropía a la salida. Este no es siempre el caso, por ejemplo, si el proceso de ruido borra preferentemente 0 sobre 1, de hecho, puede reducir la entropía.

"Si los circuitos aleatorios de Google se generan mediante un proceso que permite tales borrados, entonces la entropía cruzada no sería una medida válida de supremacía cuántica, ", dijo Bouland." Esa es en parte la razón por la que será muy importante para Google determinar cómo su dispositivo se desvía de un circuito cuántico aleatorio real ".

Estos resultados son un eco del trabajo que hizo Vazirani en 1993 con su alumno Ethan Bernstein, abriendo la puerta a los algoritmos cuánticos al presentar aceleraciones por parte de computadoras cuánticas que violan un principio fundamental de la informática llamado la tesis extendida de Church-Turing.

Peter Shor de Bell Labs llevó su trabajo un paso más allá al mostrar que un problema práctico muy importante, factorización de enteros, podría acelerarse exponencialmente por una computadora cuántica.

"Esta secuencia proporciona una plantilla para la carrera por construir computadoras cuánticas que funcionen, "dijo Vazirani." La supremacía cuántica es una violación experimental de la tesis extendida de Church-Turing. Una vez que se logre, el próximo desafío será diseñar computadoras cuánticas que puedan resolver problemas prácticamente útiles ".