El año pasado, Los investigadores de Fermilab recibieron más de $ 3,5 millones para proyectos que profundizan en el floreciente campo de la ciencia de la información cuántica. La investigación financiada por la subvención abarca toda la gama, desde la construcción y modelado de dispositivos para su posible uso en el desarrollo de computadoras cuánticas hasta el uso de átomos ultrafríos para buscar materia oscura.

Para su proyecto de computadora cuántica, El físico de partículas de fermilab Adam Lyon y el informático Jim Kowalkowski están colaborando con investigadores del Laboratorio Nacional Argonne. donde ejecutarán simulaciones en computadoras de alto rendimiento. Su trabajo ayudará a determinar si los instrumentos llamados cavidades de radiofrecuencia superconductoras, también se utiliza en aceleradores de partículas, puede resolver uno de los mayores problemas que enfrenta el desarrollo exitoso de una computadora cuántica:la decoherencia de los qubits.

"Fermilab ha sido pionero en la fabricación de cavidades superconductoras que pueden acelerar las partículas a un grado extremadamente alto en una pequeña cantidad de espacio, "dijo Lyon, uno de los científicos principales del proyecto. "Resulta que esto es directamente aplicable a un qubit".

Los investigadores en el campo han trabajado en el desarrollo de dispositivos de computación cuántica exitosos durante las últimas décadas; hasta aquí, ha sido dificil. Esto se debe principalmente a que las computadoras cuánticas deben mantener condiciones muy estables para mantener los qubits en un estado cuántico llamado superposición.

Superposición

Las computadoras clásicas usan un sistema binario de ceros y unos, llamados bits, para almacenar y analizar datos. Ocho bits combinados forman un byte de datos, que se pueden unir para codificar aún más información. (Hay alrededor de 31,8 millones de bytes en una canción digital promedio de tres minutos). Las computadoras cuánticas no están limitadas por un sistema binario estricto. Bastante, operan en un sistema de qubits, cada uno de los cuales puede asumir un rango continuo de estados durante el cálculo. Así como un electrón que orbita un núcleo atómico no tiene una ubicación discreta, sino que ocupa todas las posiciones en su órbita a la vez en una nube de electrones, un qubit se puede mantener en una superposición de cero y uno.

Dado que hay dos estados posibles para cualquier qubit dado, un par duplica la cantidad de información que se puede manipular:2 ² =4. Utilice cuatro qubits, y esa cantidad de información crece a 2 ⁴ =16. Con este aumento exponencial, Solo se necesitarían 300 qubits entrelazados para codificar más información de la que hay en el universo.

Posiciones paralelas

Los Qubits no representan los datos de la misma forma que los bits. Debido a que los qubits en superposición son cero y uno al mismo tiempo, De manera similar, pueden representar simultáneamente todas las posibles respuestas a un problema dado. Esto se llama paralelismo cuántico, y es una de las propiedades que hace que las computadoras cuánticas sean mucho más rápidas que los sistemas clásicos.

La diferencia entre las computadoras clásicas y sus contrapartes cuánticas podría compararse con una situación en la que hay un libro con algunas páginas impresas al azar con tinta azul en lugar de negra. Las dos computadoras tienen la tarea de determinar cuántas páginas se imprimieron en cada color.

"Una computadora clásica pasaría por cada página, "Dijo Lyon. Cada página estaría marcada, uno a la vez, ya sea impresos en negro o en azul. "Una computadora cuántica, en lugar de recorrer las páginas de forma secuencial, pasaría por todos ellos a la vez ".

Una vez que se completó el cálculo, una computadora clásica te daría una, respuesta discreta. Si el libro tuviera tres páginas impresas en azul, esa es la respuesta que obtendrías.

"Pero una computadora cuántica es intrínsecamente probabilística, "Dijo Kowalkowski.

Esto significa que los datos que recupera no son definitivos. En un libro de 100 páginas, los datos de una computadora cuántica no serían solo tres. También podría darte, por ejemplo, una probabilidad del uno por ciento de tener tres páginas azules o una probabilidad del uno por ciento de tener 50 páginas azules.

Surge un problema obvio al intentar interpretar estos datos. Una computadora cuántica puede realizar cálculos increíblemente rápidos utilizando qubits paralelos, pero escupe solo probabilidades, cuales, por supuesto, no es muy útil, a menos que, es decir, la respuesta correcta podría de alguna manera tener una probabilidad más alta.

Interferencia

Considere dos ondas de agua que se acercan. Mientras se encuentran pueden interferir constructivamente, produciendo una ola con una cresta más alta. O pueden interferir destructivamente, anulándose unos a otros para que ya no haya ninguna ola de la que hablar. Los estados de Qubit también pueden actuar como ondas, exhibiendo los mismos patrones de interferencia, una propiedad que los investigadores pueden aprovechar para identificar la respuesta más probable al problema que se les da.

"Si puede configurar la interferencia entre las respuestas correctas y las respuestas incorrectas, puede aumentar la probabilidad de que aparezcan las respuestas correctas más que las incorrectas, ", Dijo Lyon." Estás tratando de encontrar una manera cuántica de hacer que las respuestas correctas interfieran de manera constructiva y las respuestas incorrectas interfieran de manera destructiva ".

Cuando se ejecuta un cálculo en una computadora cuántica, el mismo cálculo se ejecuta varias veces, y los qubits pueden interferir entre sí. El resultado es una curva de distribución en la que la respuesta correcta es la respuesta más frecuente.

Escuchando señales por encima del ruido.

En los últimos cinco años, investigadores en universidades, Las instalaciones gubernamentales y las grandes empresas han realizado avances alentadores hacia el desarrollo de una computadora cuántica útil. El año pasado, Google anunció que había realizado cálculos en su procesador cuántico llamado Sycamore en una fracción del tiempo que le habría tomado a la supercomputadora más grande del mundo completar la misma tarea.

Sin embargo, los dispositivos cuánticos que tenemos hoy siguen siendo prototipos, similar a las primeras computadoras grandes de tubos de vacío de los años 194.

"Las máquinas que tenemos ahora no se escalan mucho en absoluto, "Dijo Lyon.

Todavía hay algunos obstáculos que los investigadores deben superar antes de que las computadoras cuánticas se vuelvan viables y competitivas. Uno de los más importantes es encontrar una manera de mantener aislados los delicados estados qubit el tiempo suficiente para que puedan realizar cálculos.

Si un fotón perdido (una partícula de luz) del exterior del sistema interactuara con un qubit, su onda interferiría con la superposición del qubit, esencialmente convirtiendo los cálculos en un lío confuso, un proceso llamado decoherencia. Si bien los refrigeradores hacen un trabajo moderadamente bueno para mantener al mínimo las interacciones no deseadas, pueden hacerlo solo por una fracción de segundo.

"A los sistemas cuánticos les gusta estar aislados, "Lyon dijo, "y simplemente no hay una manera fácil de hacer eso".

Aquí es donde entra en juego el trabajo de simulación de Lyon y Kowalkowski. Si los qubits no pueden mantenerse lo suficientemente fríos como para mantener una superposición entrelazada de estados, quizás los dispositivos en sí mismos se puedan construir de una manera que los haga menos susceptibles al ruido.

Resulta que las cavidades superconductoras hechas de niobio, normalmente utilizado para propulsar haces de partículas en aceleradores, podría ser la solución. Estas cavidades deben construirse con mucha precisión y operar a temperaturas muy bajas para propagar de manera eficiente las ondas de radio que aceleran los haces de partículas. Los investigadores teorizan que al colocar procesadores cuánticos en estas cavidades, los qubits podrán interactuar sin ser molestados durante segundos en lugar del registro actual de milisegundos, dándoles suficiente tiempo para realizar cálculos complejos.

Los Qubits vienen en varias variedades diferentes. Pueden crearse atrapando iones dentro de un campo magnético o utilizando átomos de nitrógeno rodeados por la red de carbono formada naturalmente en los cristales. La investigación en Fermilab y Argonne se centrará en qubits hechos de fotones.

Lyon y su equipo han asumido el trabajo de simular qué tan bien se espera que funcionen las cavidades de radiofrecuencia. Al realizar sus simulaciones en computadoras de alto rendimiento, conocidas como HPC, en el Laboratorio Nacional Argonne, pueden predecir cuánto tiempo pueden interactuar los qubits de fotones en este entorno de ruido ultrabajo y dar cuenta de cualquier interacción inesperada.

Investigadores de todo el mundo han utilizado software de código abierto para computadoras de escritorio para simular diferentes aplicaciones de la mecánica cuántica. proporcionar a los desarrolladores planos sobre cómo incorporar los resultados a la tecnología. El alcance de estos programas, sin embargo, está limitado por la cantidad de memoria disponible en las computadoras personales. Para simular la escala exponencial de varios qubits, los investigadores deben utilizar HPC.

"Pasando de una computadora de escritorio a una HPC, podrías tener 10, 000 veces más rápido, "dijo Matthew Otten, becario del Laboratorio Nacional Argonne y colaborador del proyecto.

Una vez que el equipo haya completado sus simulaciones, Los investigadores de Fermilab utilizarán los resultados para ayudar a mejorar y probar las cavidades para que actúen como dispositivos computacionales.

"Si configuramos un marco de simulación, podemos hacer preguntas muy específicas sobre la mejor manera de almacenar información cuántica y la mejor manera de manipularla, "dijo Eric Holland, el subdirector de tecnología cuántica en Fermilab. "Podemos usar eso para guiar lo que desarrollamos para tecnologías cuánticas".