Un equipo de Dartmouth College y MIT ha diseñado y realizado la primera prueba de laboratorio para detectar y caracterizar con éxito una clase de complejo, Procesos de ruido "no gaussianos" que se encuentran habitualmente en los sistemas de computación cuántica superconductores.

La caracterización del ruido no gaussiano en bits cuánticos superconductores es un paso crítico para hacer que estos sistemas sean más precisos.

El estudio conjunto, publicado en Comunicaciones de la naturaleza , podría ayudar a acelerar la realización de sistemas de computación cuántica. El experimento se basó en una investigación teórica anterior realizada en Dartmouth y publicada en Cartas de revisión física en 2016.

"Este es el primer paso concreto para tratar de caracterizar tipos de procesos de ruido más complicados de lo que comúnmente se asume en el dominio cuántico, "dijo Lorenza Viola, profesor de física en Dartmouth que dirigió el estudio de 2016, así como el componente teórico del presente trabajo. "Dado que las propiedades de coherencia de los qubit se mejoran constantemente, es importante detectar ruido no gaussiano para construir los sistemas cuánticos más precisos posibles ".

Las computadoras cuánticas se diferencian de las tradicionales por ir más allá de la secuenciación binaria "on-off" favorecida por la física clásica. Las computadoras cuánticas se basan en bits cuánticos, también conocidos como qubits, que se construyen a partir de partículas atómicas y subatómicas.

Esencialmente, Los qubits se pueden colocar en una combinación de posiciones "on" y "off" al mismo tiempo. También pueden estar "enredados, "lo que significa que las propiedades de un qubit pueden influir en otro a distancia.

Los sistemas qubit superconductores se consideran uno de los principales contendientes en la carrera por construir escalables, Computadoras cuánticas de alto rendimiento. Pero, como otras plataformas de qubit, son muy sensibles a su entorno y pueden verse afectados tanto por el ruido externo como por el ruido interno.

El ruido externo en los sistemas de computación cuántica podría provenir de la electrónica de control o de campos magnéticos extraviados. El ruido interno podría provenir de otros sistemas cuánticos no controlados, como impurezas materiales. La capacidad de reducir el ruido es un foco importante en el desarrollo de las computadoras cuánticas.

"La gran barrera que nos impide tener ahora computadoras cuánticas a gran escala es este problema del ruido". dijo Leigh Norris, un asociado postdoctoral en Dartmouth que fue coautor del estudio. "Esta investigación nos lleva a comprender el ruido, que es un paso para cancelarlo, y con suerte tener algún día una computadora cuántica confiable ".

El ruido no deseado se describe a menudo en términos de modelos simples "gaussianos", en el que la distribución de probabilidad de las fluctuaciones aleatorias del ruido crea un familiar, curva de Gauss en forma de campana. El ruido no gaussiano es más difícil de describir y detectar porque queda fuera del rango de validez de estos supuestos y porque simplemente puede haber menos.

Siempre que las propiedades estadísticas del ruido sean gaussianas, Se puede utilizar una pequeña cantidad de información para caracterizar el ruido, a saber, las correlaciones en solo dos momentos distintos, o equivalente, en términos de una descripción en el dominio de la frecuencia, el llamado "espectro de ruido".

Gracias a su alta sensibilidad al entorno circundante, Los qubits se pueden utilizar como sensores de su propio ruido. Sobre la base de esta idea, Los investigadores han avanzado en el desarrollo de técnicas para identificar y reducir el ruido gaussiano en sistemas cuánticos. similar a cómo funcionan los auriculares con cancelación de ruido.

Aunque no es tan común como el ruido gaussiano, identificar y cancelar el ruido no gaussiano es un desafío igualmente importante hacia el diseño óptimo de sistemas cuánticos.

El ruido no gaussiano se distingue por patrones de correlación más complicados que involucran múltiples puntos en el tiempo. Como resultado, se requiere mucha más información sobre el ruido para poder identificarlo.

En el estudio, los investigadores pudieron aproximar las características del ruido no gaussiano utilizando información sobre correlaciones en tres momentos diferentes, correspondiente a lo que se conoce como el "bispectro" en el dominio de la frecuencia.

"Esta es la primera vez que un La caracterización resuelta en frecuencia del ruido no gaussiano se ha podido realizar en un laboratorio con qubits. Este resultado expande significativamente la caja de herramientas que tenemos disponible para realizar una caracterización precisa del ruido y, por lo tanto, crear qubits mejores y más estables en computadoras cuánticas. "dijo Viola.

Una computadora cuántica que no puede detectar ruido no gaussiano podría confundirse fácilmente entre la señal cuántica que se supone que procesa y el ruido no deseado en el sistema. Los protocolos para lograr la espectroscopia de ruido no gaussiano no existían hasta el estudio de Dartmouth en 2016.

Si bien el experimento del MIT para validar el protocolo no hará que las computadoras cuánticas a gran escala sean prácticamente viables de inmediato, es un paso importante para hacerlos más precisos.

"Esta investigación comenzó en la pizarra. No sabíamos si alguien iba a poder ponerla en práctica, pero a pesar de los importantes desafíos conceptuales y experimentales, el equipo del MIT lo hizo, "dijo Felix Beaudoin, un ex estudiante postdoctoral de Dartmouth en el grupo de Viola que también jugó un papel fundamental en el puente entre la teoría y el experimento en el estudio.

"Ha sido un placer colaborar con Lorenza Viola y su fantástico equipo de teoría en Dartmouth, "dijo William Oliver, profesor de física en el MIT. "Hemos estado trabajando juntos durante años en varios proyectos y, a medida que la computación cuántica pasa de la curiosidad científica a la realidad técnica, Anticipo la necesidad de una mayor colaboración interdisciplinaria e interinstitucional ".

Según el equipo de investigación, Todavía se requieren años de trabajo adicional para perfeccionar la detección y cancelación de ruido en sistemas cuánticos. En particular, la investigación futura pasará de un sistema de un solo sensor a un sistema de dos sensores, permitiendo la caracterización de correlaciones de ruido a través de diferentes qubits.