Con un coprocesador cuántico en la nube, físicos de Innsbruck, Austria, abrir la puerta a la simulación de problemas de química previamente irresolubles, investigación de materiales o física de altas energías. Los grupos de investigación liderados por Rainer Blatt y Peter Zoller informan en la revista Naturaleza cómo simularon fenómenos de física de partículas en 20 bits cuánticos y cómo el simulador cuántico verificó el resultado por primera vez.

Muchos científicos están trabajando actualmente para investigar cómo se puede explotar la ventaja cuántica en el hardware que ya está disponible en la actualidad. Hace tres años, Los físicos primero simularon la formación espontánea de un par de partículas elementales con una computadora cuántica digital en la Universidad de Innsbruck. Debido a la tasa de error, sin embargo, Las simulaciones más complejas requerirían una gran cantidad de bits cuánticos que aún no están disponibles en las computadoras cuánticas actuales. La simulación analógica de sistemas cuánticos en una computadora cuántica también tiene límites estrechos. Usando un nuevo método, investigadores alrededor de Christian Kokail, Christine Maier y Rick van Bijnen del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQOQI) de la Academia de Ciencias de Austria han superado estos límites. Usan una computadora cuántica de trampa de iones programable con 20 bits cuánticos como coprocesador cuántico, en el que se subcontratan cálculos de mecánica cuántica que alcanzan los límites de las computadoras clásicas. "Usamos las mejores características de ambas tecnologías, "explica la física experimental Christine Maier." El simulador cuántico se hace cargo de los problemas cuánticos computacionalmente complejos y la computadora clásica resuelve las tareas restantes ".

Caja de herramientas para modeladores cuánticos

Los científicos utilizan el método variacional conocido de la física teórica, pero aplíquelo en su experimento cuántico. “La ventaja de este método radica en el hecho de que podemos utilizar el simulador cuántico como un recurso cuántico que es independiente del problema que se investiga, "explica Rick van Bijnen." De esta manera podemos simular problemas mucho más complejos ". Una simple comparación muestra la diferencia:un simulador cuántico analógico es como una casa de muñecas, representa la realidad. El simulador cuántico variacional programable, por otra parte, ofrece bloques de construcción individuales con los que se pueden construir muchas casas diferentes. En simuladores cuánticos, estos bloques de construcción son puertas de enredo y rotaciones de un solo giro. Con una computadora clásica, este conjunto de perillas se sintoniza hasta que se alcanza el estado cuántico deseado. Para ello, los físicos han desarrollado un sofisticado algoritmo de optimización que en aproximadamente 100, 000 solicitudes del coprocesador cuántico por parte de la computadora clásica conducen al resultado. Junto con ciclos de medición extremadamente rápidos del experimento cuántico, el simulador de IQOQI Innsbruck se vuelve enormemente poderoso. Por primera vez, los físicos han simulado la creación y destrucción espontánea de pares de partículas elementales en el vacío en 20 bits cuánticos. Dado que el nuevo método es muy eficiente, también se puede utilizar en simuladores cuánticos aún más grandes. Los investigadores de Innsbruck planean construir un simulador cuántico con hasta 50 iones en un futuro próximo. Esto abre perspectivas interesantes para futuras investigaciones de modelos de estado sólido y problemas de física de alta energía.

Autocomprobación incorporada

Un problema previamente no resuelto en simulaciones cuánticas complejas es la verificación de los resultados de la simulación. "Dichos cálculos apenas pueden o no pueden verificarse usando computadoras clásicas. Entonces, ¿cómo verificamos si el sistema cuántico ofrece el resultado correcto? ", pregunta el físico teórico Christian Kokail." Hemos resuelto esta cuestión por primera vez haciendo mediciones adicionales en el sistema cuántico. Según los resultados, la máquina cuántica evalúa la calidad de la simulación, "explica Kokail. Este mecanismo de verificación es el requisito previo para simulaciones cuánticas aún más complejas, porque el número necesario de bits cuánticos aumenta considerablemente. "Todavía podemos probar la simulación en 20 bits cuánticos en una computadora clásica, pero con simulaciones más complejas esto simplemente ya no es posible, "dice Rick van Bijnen". En nuestro estudio, el experimento cuántico fue incluso más rápido que la simulación de control en la PC. En el final, tuvimos que sacarlo de carrera para no ralentizar el experimento, "dice el físico.