Un nuevo algoritmo que avanza rápidamente las simulaciones podría brindar una mayor capacidad de uso a las computadoras cuánticas actuales y a corto plazo, abriendo el camino para que las aplicaciones se ejecuten más allá de los estrictos límites de tiempo que obstaculizan muchos cálculos cuánticos.

"Las computadoras cuánticas tienen un tiempo limitado para realizar cálculos antes de su naturaleza cuántica útil, que llamamos coherencia, romperse, "dijo Andrew Sornborger de Computer, Computacional, y División de Ciencias Estadísticas en el Laboratorio Nacional de Los Alamos, y autor principal de un artículo que anuncia la investigación. "Con un nuevo algoritmo que hemos desarrollado y probado, podremos adelantar simulaciones cuánticas para resolver problemas que antes estaban fuera de nuestro alcance ".

Computadoras construidas con componentes cuánticos, conocido como qubits, potencialmente puede resolver problemas extremadamente difíciles que exceden las capacidades de incluso las supercomputadoras modernas más poderosas. Las aplicaciones incluyen un análisis más rápido de grandes conjuntos de datos, desarrollo de fármacos, y desentrañar los misterios de la superconductividad, por nombrar algunas de las posibilidades que podrían conducir a importantes avances tecnológicos y científicos en un futuro próximo.

Experimentos recientes han demostrado el potencial de las computadoras cuánticas para resolver problemas en segundos que tomaría la mejor computadora convencional milenios para completar. El desafío permanece, sin embargo, para garantizar que una computadora cuántica pueda ejecutar simulaciones significativas antes de que se rompa la coherencia cuántica.

"Utilizamos el aprendizaje automático para crear un circuito cuántico que puede aproximarse a una gran cantidad de operaciones de simulación cuántica todas a la vez, ", dijo Sornborger." El resultado es un simulador cuántico que reemplaza una secuencia de cálculos con un solo, operación rápida que puede completarse antes de que se rompa la coherencia cuántica ".

El algoritmo Variational Fast Forwarding (VFF) que desarrollaron los investigadores de Los Alamos es un híbrido que combina aspectos de la computación clásica y cuántica. Aunque los teoremas bien establecidos excluyen el potencial del avance rápido general con absoluta fidelidad para simulaciones cuánticas arbitrarias, los investigadores resuelven el problema tolerando pequeños errores de cálculo para tiempos intermedios con el fin de proporcionar información útil, si es un poco imperfecto, predicciones.

En principio, el enfoque permite a los científicos simular un sistema de forma mecánica cuántica durante el tiempo que deseen. Hablando practicamente, los errores que se acumulan a medida que aumentan los tiempos de simulación limitan los cálculos potenciales. Todavía, el algoritmo permite simulaciones mucho más allá de las escalas de tiempo que las computadoras cuánticas pueden lograr sin el algoritmo VFF.

Una peculiaridad del proceso es que se necesitan el doble de qubits para adelantar un cálculo de lo que haría la computadora cuántica que se adelanta rápidamente. En el artículo recién publicado, por ejemplo, el grupo de investigación confirmó su enfoque mediante la implementación de un algoritmo VFF en una computadora de dos qubit para acelerar los cálculos que se realizarían en una simulación cuántica de un qubit.

En el trabajo futuro, los investigadores de Los Alamos planean explorar los límites del algoritmo VFF aumentando el número de qubits que avanzan rápidamente, y comprobar hasta qué punto pueden hacer avanzar rápidamente los sistemas. La investigación fue publicada el 18 de septiembre de 2020 en la revista npj Información cuántica .