En un paso hacia la computación cuántica práctica, investigadores del MIT, Google, y en otros lugares han diseñado un sistema que puede verificar cuándo los chips cuánticos han realizado con precisión cálculos complejos que las computadoras clásicas no pueden.

Los chips cuánticos realizan cálculos utilizando bits cuánticos, llamado "qubits, "que puede representar los dos estados correspondientes a los bits binarios clásicos, un cero o uno, o una" superposición cuántica "de ambos estados simultáneamente. El estado de superposición único puede permitir que las computadoras cuánticas resuelvan problemas que son prácticamente imposibles para las computadoras clásicas, potencialmente estimulando avances en el diseño de materiales, descubrimiento de medicamento, y aprendizaje automático, entre otras aplicaciones.

Las computadoras cuánticas a gran escala requerirán millones de qubits, que aún no es factible. En los años pasados, Los investigadores han comenzado a desarrollar chips "Noisy Intermediate Scale Quantum" (NISQ), que contienen alrededor de 50 a 100 qubits. Eso es suficiente para demostrar la "ventaja cuántica, "lo que significa que el chip NISQ puede resolver ciertos algoritmos que son intratables para las computadoras clásicas. Verificando que los chips realizaron las operaciones como se esperaba, sin embargo, puede ser muy ineficiente. Las salidas del chip pueden parecer completamente aleatorias, por lo que se necesita mucho tiempo para simular los pasos para determinar si todo salió según lo planeado.

En un artículo publicado hoy en Física de la naturaleza , los investigadores describen un protocolo novedoso para verificar de manera eficiente que un chip NISQ ha realizado todas las operaciones cuánticas correctas. Ellos validaron su protocolo en un problema cuántico notoriamente difícil que se ejecuta en un chip fotónico cuántico personalizado.

"A medida que los rápidos avances en la industria y la academia nos llevan a la cúspide de las máquinas cuánticas que pueden superar a las máquinas clásicas, la tarea de la verificación cuántica se vuelve crítica en el tiempo, "dice el primer autor Jacques Carolan, un postdoctorado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática (EECS) y el Laboratorio de Investigación en Electrónica (RLE). "Nuestra técnica proporciona una herramienta importante para verificar una amplia clase de sistemas cuánticos. Porque si invierto miles de millones de dólares para construir un chip cuántico, seguro que es mejor hacer algo interesante ".

Junto a Carolan en el artículo están los investigadores de EECS y RLE en MIT, también del Laboratorio de inteligencia artificial cuántica de Google, Tecnologías Elenion, Materia ligera, y Zapata Computing.

Divide y conquistaras

El trabajo de los investigadores esencialmente rastrea un estado cuántico de salida generado por el circuito cuántico hasta un estado de entrada conocido. Hacerlo revela qué operaciones de circuito se realizaron en la entrada para producir la salida. Esas operaciones siempre deben coincidir con lo que programaron los investigadores. Que no, los investigadores pueden usar la información para identificar dónde fallaron las cosas en el chip.

En el núcleo del nuevo protocolo, llamado "Desmuestreo cuántico variacional, "se basa en un enfoque de" divide y vencerás ", Carolan dice:que rompe el estado cuántico de salida en trozos. "En lugar de hacerlo todo de una vez, que lleva mucho tiempo, hacemos este descifrado capa por capa. Esto nos permite romper el problema para abordarlo de una manera más eficiente, "Dice Carolan.

Para esto, los investigadores se inspiraron en las redes neuronales, que resuelven problemas a través de muchas capas de computación, para construir una nueva "red neuronal cuántica" (QNN), donde cada capa representa un conjunto de operaciones cuánticas.

Para ejecutar el QNN, utilizaron técnicas tradicionales de fabricación de silicio para construir un chip NISQ de 2 por 5 milímetros con más de 170 parámetros de control, componentes de circuitos sintonizables que facilitan la manipulación de la ruta de los fotones. Se generan pares de fotones en longitudes de onda específicas desde un componente externo y se inyectan en el chip. Los fotones viajan a través de los cambiadores de fase del chip, que cambian la trayectoria de los fotones, interfiriendo entre sí. Esto produce un estado de salida cuántico aleatorio, que representa lo que sucedería durante el cálculo. La salida se mide mediante una serie de sensores fotodetectores externos.

Esa salida se envía al QNN. La primera capa utiliza técnicas de optimización complejas para excavar a través de la salida ruidosa y señalar la firma de un solo fotón entre todos los mezclados. Luego, "descifra" ese único fotón del grupo para identificar qué operaciones del circuito lo devuelven a su estado de entrada conocido. Esas operaciones deben coincidir exactamente con el diseño específico del circuito para la tarea. Todas las capas subsiguientes hacen el mismo cálculo, eliminando de la ecuación cualquier fotón previamente descifrado, hasta que todos los fotones estén descifrados.

Como ejemplo, digamos que el estado de entrada de los qubits introducidos en el procesador era todo ceros. El chip NISQ ejecuta un montón de operaciones en los qubits para generar una número aparentemente cambiante aleatoriamente como salida. (Un número de salida cambiará constantemente ya que está en una superposición cuántica). El QNN selecciona fragmentos de ese número masivo. Luego, capa por capa, determina qué operaciones revierten cada qubit a su estado de entrada de cero. Si alguna operación es diferente de las operaciones planeadas originalmente, entonces algo salió mal. Los investigadores pueden inspeccionar cualquier desajuste entre la salida esperada y los estados de entrada, y use esa información para modificar el diseño del circuito.

Bosón "desmuestreo"

En experimentos, el equipo ejecutó con éxito una tarea computacional popular utilizada para demostrar la ventaja cuántica, llamado "muestreo de bosones, "que generalmente se realiza en chips fotónicos. En este ejercicio, Los desplazadores de fase y otros componentes ópticos manipularán y convertirán un conjunto de fotones de entrada en una superposición cuántica diferente de fotones de salida. Por último, la tarea consiste en calcular la probabilidad de que un determinado estado de entrada coincida con un determinado estado de salida. Básicamente, será una muestra de alguna distribución de probabilidad.

Pero es casi imposible para las computadoras clásicas calcular esas muestras, debido al comportamiento impredecible de los fotones. Se ha teorizado que los chips NISQ pueden calcularlos con bastante rapidez. Hasta ahora, sin embargo, no ha habido forma de verificar eso de forma rápida y sencilla, debido a la complejidad involucrada con las operaciones de NISQ y la tarea en sí.

"Las mismas propiedades que dan a estos chips poder computacional cuántico los hacen casi imposibles de verificar, "Dice Carolan.

En experimentos, los investigadores pudieron "anular la muestra" de dos fotones que habían atravesado el problema de muestreo de bosones en su chip NISQ personalizado, y en una fracción de tiempo se necesitarían enfoques de verificación tradicionales.

"Este es un artículo excelente que emplea una red neuronal cuántica no lineal para aprender la operación unitaria desconocida realizada por una caja negra, "dice Stefano Pirandola, profesor de informática que se especializa en tecnologías cuánticas en la Universidad de York. "Está claro que este esquema podría ser muy útil para verificar las puertas reales que realiza un circuito cuántico, [por ejemplo] un procesador NISQ. Desde este punto de vista, el esquema sirve como una importante herramienta de evaluación comparativa para los futuros ingenieros cuánticos. La idea se implementó notablemente en un chip cuántico fotónico ".

Si bien el método fue diseñado para propósitos de verificación cuántica, también podría ayudar a capturar propiedades físicas útiles, Dice Carolan. Por ejemplo, ciertas moléculas cuando se excitan vibrarán, luego emiten fotones basados ​​en estas vibraciones. Al inyectar estos fotones en un chip fotónico, Carolan dice:la técnica de descifrado podría usarse para descubrir información sobre la dinámica cuántica de esas moléculas para ayudar en el diseño molecular de bioingeniería. También podría usarse para descifrar fotones que transportan información cuántica que han acumulado ruido al pasar a través de espacios o materiales turbulentos.

"El sueño es aplicar esto a problemas interesantes en el mundo físico, "Dice Carolan.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.