Tecnologías cuánticas, como las computadoras cuánticas, dispositivos de detección cuántica y memoria cuántica, a menudo superan a la electrónica tradicional en velocidad y rendimiento, y, por lo tanto, pronto podría ayudar a los humanos a abordar una variedad de problemas de manera más eficiente. A pesar de su enorme potencial, la mayoría de los sistemas cuánticos son inherentemente susceptibles a errores y ruido, lo que plantea un serio desafío para implementarlos y usarlos en entornos del mundo real.

Para permitir la implementación a gran escala de tecnologías cuánticas, Los investigadores han estado tratando de desarrollar técnicas que pudieran hacerlos más resistentes al ruido y menos propensos a errores. Si bien algunos de estos métodos, como la corrección de errores cuánticos y la tolerancia a fallos, han demostrado ser útiles y ahora son piedras angulares de la ciencia de la información cuántica, los factores que limitan el rendimiento de los sistemas cuánticos en aplicaciones del mundo real aún no se conocen bien.

Investigadores de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido y del Instituto Perimetral de Física Teórica en Canadá han intentado recientemente obtener una comprensión teórica de las limitaciones de las técnicas para "purificar" recursos cuánticos ruidosos. En un artículo publicado en Cartas de revisión física , demostraron matemáticamente la existencia de una serie de límites universales en la precisión y eficiencia de los métodos para purificar diferentes tipos de recursos cuánticos asociados con aplicaciones prácticas, que juegan un papel clave en el funcionamiento de las tecnologías cuánticas.

"Las ideas y técnicas discutidas en nuestro artículo se originan en la teoría general de recursos cuánticos de un solo paso, 'que describimos en uno de nuestros artículos anteriores de PRL, "Zi-Wen Liu, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "La idea clave es analizar una cantidad teórica de la información llamada hipótesis cuántica que prueba la entropía relativa, que se muestra para inducir limitaciones universales en transformaciones de estado ruidoso a estado puro ".

Usando teoremas matemáticos, Liu y sus colegas demostraron una serie de limitaciones fundamentales sobre la medida en que se pueden purificar los recursos genéricos ruidosos, que se derivan de las leyes de la mecánica cuántica. Los cálculos que llevaron a cabo se aplican a prácticamente todos los tipos de recursos cuánticos.

"Más explícitamente, Derivamos límites inferiores no triviales en el error de convertir cualquier estado ruidoso de rango completo a cualquier estado objetivo de recursos puros mediante cualquier protocolo libre (incluidos los probabilísticos), y encontramos que es imposible lograr una purificación perfecta de los recursos. incluso probabilísticamente, "Liu explicó." En particular, existe un límite de compensación no trivial entre la probabilidad de éxito y la precisión del protocolo, que es similar a una 'relación de incertidumbre' ".

Los teoremas matemáticos introducidos por este equipo de investigadores implican la existencia de fuertes límites a la eficiencia de la destilación, una técnica para purificar los recursos cuánticos que sustenta una amplia variedad de tecnologías cuánticas proyectadas. Más específicamente, Estos teoremas introducen los primeros límites inferiores explícitos sobre los costos de la destilación en estado mágico, que se considera un esquema líder para realizar computación cuántica escalable y tolerante a fallas.

"Notablemente, Nuestros teoremas nos permitieron establecer la primera comprensión rigurosa de los costos de recursos necesarios de la computación cuántica a gran escala y otras tecnologías cuánticas. ", Dijo Liu." Esperamos que nuestros resultados sirvan como directrices importantes y encuentren aplicaciones de amplio alcance en escenarios prácticos ". Es más, estamos escribiendo un trabajo de seguimiento sobre la extensión de los teoremas de no purificación a los canales cuánticos, que son directamente aplicables a escenarios dinámicos importantes como la simulación de canales cuánticos y la síntesis de circuitos, para hacer la teoría más completa ".

Además de arrojar luz sobre los costos y las limitaciones de las tecnologías cuánticas, los hallazgos mejoran la comprensión de los principios fundamentales de la mecánica cuántica. Como los famosos teoremas de no ir, el teorema de no clonación y el principio de incertidumbre, Se espera que los nuevos teoremas de "no purificación" que han introducido desempeñen un papel fundamental en el desarrollo científico y práctico de la física cuántica. En el futuro, podrían impulsar más investigaciones sobre qué tan bien se pueden alcanzar estos límites, en última instancia, allanando el camino hacia tecnologías cuánticas más eficientes para aplicaciones prácticas del mundo real.

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