Los investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía han desarrollado un punto de referencia de simulación de química cuántica para evaluar el rendimiento de los dispositivos cuánticos y guiar el desarrollo de aplicaciones para futuras computadoras cuánticas.

Sus hallazgos fueron publicados en npj Información cuántica .

Las computadoras cuánticas utilizan las leyes de la mecánica cuántica y las unidades conocidas como qubits para aumentar en gran medida el umbral en el que se puede transmitir y procesar la información. Mientras que los "bits" tradicionales tienen un valor de 0 o 1, Los qubits están codificados con valores de 0 y 1, o cualquier combinación de los mismos, permitiendo una gran cantidad de posibilidades para almacenar datos.

Mientras aún se encuentran en sus primeras etapas, Los sistemas cuánticos tienen el potencial de ser exponencialmente más poderosos que los principales sistemas informáticos clásicos actuales y prometen revolucionar la investigación en materiales. química, física de altas energías, y en todo el espectro científico.

Pero debido a que estos sistemas están en su relativa infancia, comprender qué aplicaciones se adaptan bien a sus arquitecturas únicas se considera un campo importante de investigación.

"Actualmente estamos ejecutando problemas científicos bastante simples que representan el tipo de problemas que creemos que estos sistemas nos ayudarán a resolver en el futuro". "dijo Raphael Pooser de ORNL, investigador principal del proyecto Pathfinder de Quantum Testbed. "Estos puntos de referencia nos dan una idea de cómo se comportarán los futuros sistemas cuánticos al abordar similares, aunque exponencialmente más complejo, simulaciones ".

Pooser y sus colegas calcularon la energía del estado unido de las moléculas de hidruro alcalino en procesadores IBM Tokyo de 20 qubit y Rigetti Aspen de 16 qubit. Estas moléculas son simples y sus energías bien entendidas, permitiéndoles probar eficazmente el rendimiento de la computadora cuántica.

Al ajustar la computadora cuántica en función de algunos parámetros, el equipo calculó los estados unidos de estas moléculas con precisión química, que se obtuvo mediante simulaciones en una computadora clásica. De igual importancia es el hecho de que los cálculos cuánticos también incluyeron la mitigación sistemática de errores, iluminando las deficiencias del hardware cuántico actual.

El error sistemático ocurre cuando el "ruido" inherente a las arquitecturas cuánticas actuales afecta su funcionamiento. Debido a que las computadoras cuánticas son extremadamente delicadas (por ejemplo, los qubits utilizados por el equipo de ORNL se mantienen en un refrigerador de dilución a alrededor de 20 milikelvin (o más de -450 grados Fahrenheit), las temperaturas y las vibraciones de los entornos circundantes pueden crear inestabilidades que alteren su precisión. Por ejemplo, tal ruido puede hacer que un qubit gire 21 grados en lugar de los 20 deseados, afecta en gran medida el resultado de un cálculo.

"Este nuevo punto de referencia caracteriza el 'estado mixto, 'o cómo interactúan el entorno y la máquina, muy bien, ", Dijo Pooser." Este trabajo es un paso crítico hacia un punto de referencia universal para medir el rendimiento de las computadoras cuánticas, al igual que la métrica LINPACK se utiliza para juzgar las computadoras clásicas más rápidas del mundo ".

Si bien los cálculos fueron bastante simples en comparación con lo que es posible en los principales sistemas clásicos como el Summit de ORNL, actualmente clasificado como el ordenador más potente del mundo, química cuántica, junto con la física nuclear y la teoría cuántica de campos, se considera una "aplicación asesina" cuántica. En otras palabras, Se cree que a medida que evolucionen, las computadoras cuánticas podrán realizar con mayor precisión y eficiencia una amplia gama de cálculos relacionados con la química mejor que cualquier computadora clásica actualmente en funcionamiento. incluida la Cumbre.

"El punto de referencia actual es un primer paso hacia un conjunto completo de puntos de referencia y métricas que rigen el rendimiento de los procesadores cuánticos para diferentes dominios científicos, ", dijo el químico cuántico de ORNL Jacek Jakowski." Esperamos que evolucione con el tiempo a medida que mejore el hardware de la computación cuántica. La vasta experiencia de ORNL en ciencias de dominio, la informática y la informática de alto rendimiento lo convierten en el lugar perfecto para la creación de esta suite de referencia ".

ORNL ha estado planeando plataformas de cambio de paradigma como la cuántica durante más de una década a través de programas de investigación dedicados en computación cuántica, redes, materiales sensoriales y cuánticos. Estos esfuerzos tienen como objetivo acelerar la comprensión de cómo los recursos de computación cuántica a corto plazo pueden ayudar a abordar los desafíos científicos más abrumadores de la actualidad y respaldar la Iniciativa Nacional Cuántica recientemente anunciada. un esfuerzo federal para garantizar el liderazgo estadounidense en ciencias cuánticas, particularmente informática.

Dicho liderazgo requerirá sistemas como Summit para garantizar la marcha constante desde dispositivos como los que utiliza el equipo de ORNL hasta sistemas cuánticos a mayor escala exponencialmente más potentes que cualquier otro que esté en funcionamiento en la actualidad.

El acceso a los procesadores IBM y Rigetti fue proporcionado por el Programa de Usuario de Computación Cuántica en la Instalación de Computación de Liderazgo de Oak Ridge, que proporciona acceso temprano a los sistemas comerciales de computación cuántica al tiempo que respalda el desarrollo de futuros programadores cuánticos a través de programas de extensión educativa y de pasantías. El apoyo para la investigación provino del programa de Investigación en Computación Científica Avanzada de la Oficina de Ciencias del DOE.

"Este proyecto ayuda al DOE a comprender mejor qué funcionará y qué no funcionará a medida que avanzan en su misión de realizar el potencial de la computación cuántica para resolver los mayores desafíos científicos y de seguridad nacional de la actualidad". "Dijo Pooser.

Próximo, el equipo planea calcular los estados excitados exponencialmente más complejos de estas moléculas, lo que les ayudará a diseñar nuevos esquemas novedosos de mitigación de errores y acercará un paso más a la realidad la posibilidad de la computación cuántica práctica.