Los científicos de la USC han demostrado un método teórico para mejorar el rendimiento de las computadoras cuánticas, un paso importante para escalar una tecnología con potencial para resolver algunos de los mayores desafíos de la sociedad.

El método aborda una debilidad que afecta el rendimiento de las computadoras de próxima generación al suprimir los cálculos erróneos al tiempo que aumenta la fidelidad de los resultados. un paso crítico antes de que las máquinas puedan superar a las computadoras clásicas como se esperaba. Denominado "desacoplamiento dinámico, "funcionó en dos computadoras cuánticas, resultó más fácil y más confiable que otros remedios y se podía acceder a él a través de la nube, que es una novedad en el desacoplamiento dinámico.

La técnica administra ráfagas entrecortadas de pequeños, pulsos de energía enfocados para compensar las perturbaciones ambientales que entorpecen los cálculos sensibles. Los investigadores informan que pudieron mantener un estado cuántico hasta tres veces más de lo que ocurriría en un estado incontrolado.

"Este es un paso adelante, "dijo Daniel Lidar, profesor de ingeniería eléctrica, química y física en la USC y director del Centro de Ciencia y Tecnología de la Información Cuántica de la USC (CQIST). "Sin supresión de errores, no hay forma de que la computación cuántica pueda superar a la computación clásica ".

Los resultados se publicaron hoy en la revista Cartas de revisión física . Lidar es el profesor de ingeniería de Viterbi en la USC y autor correspondiente del estudio; dirigió un equipo de investigadores en CQIST, que es una colaboración entre la Escuela de Ingeniería de USC Viterbi y la Escuela de Letras de USC Dornsife, Artes y Ciencias. La startup de IBM y Bay Area, Rigetti Computing, proporcionó acceso a la nube a sus computadoras cuánticas.

Las computadoras cuánticas son rápidas pero frágil

Las computadoras cuánticas tienen el potencial de hacer obsoletas las supercomputadoras actuales e impulsar avances en la medicina. capacidades financieras y de defensa. Aprovechan la velocidad y el comportamiento de los átomos, que funcionan radicalmente diferente a los chips de computadora de silicio, para realizar cálculos aparentemente imposibles.

La computación cuántica tiene el potencial de optimizar nuevas terapias farmacológicas, modelos para el cambio climático y diseños para nuevas máquinas. Pueden lograr una entrega de productos más rápida, menores costos de productos manufacturados y transporte más eficiente. Están alimentados por qubits, los caballos de batalla subatómicos y los componentes básicos de la computación cuántica.

Pero los qubits son tan temperamentales como los autos de carreras de alto rendimiento. Son rápidos y de alta tecnología, pero propenso a errores y necesita estabilidad para sostener los cálculos. Cuando no funcionan correctamente, producen malos resultados, lo que limita sus capacidades en relación con las computadoras tradicionales. Los científicos de todo el mundo aún tienen que lograr una "ventaja cuántica:el punto en el que una computadora cuántica supera a una computadora convencional en cualquier tarea".

El problema es "ruido, "un descriptor general para perturbaciones como el sonido, temperatura y vibración. Puede desestabilizar qubits, que crea "decoherencia, "un trastorno que interrumpe la duración del estado cuántico, lo que reduce el tiempo que una computadora cuántica puede realizar una tarea mientras logra resultados precisos.

"El ruido y la decoherencia tienen un gran impacto y arruinan los cálculos, y una computadora cuántica con demasiado ruido es inútil, "Lidar explicó." Pero si puedes eliminar los problemas asociados con el ruido, entonces empiezas a acercarte al punto en el que las computadoras cuánticas se vuelven más útiles que las clásicas ".

La investigación de la USC abarca múltiples plataformas de computación cuántica

La USC es la única universidad del mundo con una computadora cuántica; su templador cuántico D-Wave de 1098 qubit se especializa en resolver problemas de optimización. Parte del Centro de Computación Cuántica de USC-Lockheed Martin, está ubicado en el Instituto de Ciencias de la Información de la USC. Sin embargo, los últimos hallazgos de la investigación no se lograron en la máquina D-Wave, pero a menor escala, Computadoras cuánticas de propósito general:IBM QX5 de 16 qubit y Acorn de 19 qubit de Rigetti.

Para lograr el desacoplamiento dinámico (DD), los investigadores bañaron los qubits superconductores con pulsos cronometrados de diminuta energía electromagnética. Manipulando los pulsos, los científicos pudieron envolver los qubits en un microambiente, secuestrado (o desacoplado) del ruido ambiental circundante, perpetuando así un estado cuántico.

"Probamos un mecanismo simple para reducir el error en las máquinas que resultó ser efectivo, "dijo Bibek Pokharel, estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica en la USC Viterbi y primer autor del estudio.

Las secuencias de tiempo para los experimentos fueron extremadamente pequeñas con hasta 200 pulsos que abarcan hasta 600 nanosegundos. Una mil millonésima de segundo, o un nanosegundo, es el tiempo que tarda la luz en viajar un pie.

Para las computadoras cuánticas de IBM, la fidelidad final se triplicó, del 28,9 por ciento al 88,4 por ciento. Para la computadora cuántica Rigetti, la mejora final de la fidelidad fue un 17 por ciento más modesto, de 59,8 a 77,1, según el estudio. Los científicos probaron cuánto tiempo se podía mantener la mejora de la fidelidad y encontraron que más pulsos siempre mejoraban las cosas para la computadora Rigetti. mientras que había un límite de aproximadamente 100 pulsos para la computadora IBM.

En general, los hallazgos muestran que el método DD funciona mejor que otros métodos de corrección de errores cuánticos que se han intentado hasta ahora, Dijo Lidar.

"A lo mejor de nuestro conocimiento, "escribieron los investigadores, "esto equivale a la primera demostración inequívoca de mitigación de decoherencia exitosa en plataformas qubit superconductoras basadas en la nube ... esperamos que las lecciones extraídas tengan una amplia aplicabilidad".

Hay mucho en juego en la carrera por la supremacía cuántica

La búsqueda de la supremacía de la computación cuántica es una prioridad geopolítica para Europa, Porcelana, Canadá, Australia y Estados Unidos. La ventaja obtenida al adquirir la primera computadora que deja obsoletas a todas las demás computadoras sería enorme y otorgaría beneficios económicos, ventajas militares y de salud pública para el ganador.

El Congreso está considerando dos nuevos proyectos de ley para establecer a Estados Unidos como líder en computación cuántica. En septiembre, la Cámara de Representantes aprobó la Ley de Iniciativa Nacional Cuántica para asignar $ 1.3 mil millones en cinco años para estimular la investigación y el desarrollo. Crearía una Oficina Nacional de Coordinación Cuántica en la Casa Blanca para supervisar la investigación en todo el país. Una factura separada, la Ley de Investigación de Computación Cuántica de la senadora Kamala Harris, D-Calif., ordena al Departamento de Defensa que lidere un esfuerzo de computación cuántica.

"La computación cuántica es la próxima frontera tecnológica que cambiará el mundo y no podemos permitirnos quedarnos atrás, ", Dijo Harris en declaraciones preparadas." Podría crear puestos de trabajo para la próxima generación, curar enfermedades y, sobre todo, hacer que nuestra nación sea más fuerte y segura. ... Sin una adecuada investigación y coordinación en computación cuántica, corremos el riesgo de quedar atrás de nuestra competencia global en la carrera del ciberespacio, que nos deja vulnerables a los ataques de nuestros adversarios, " ella dijo.