Un gran desafío técnico para cualquier práctica, La computadora cuántica del mundo real proviene de la necesidad de una gran cantidad de qubits físicos para hacer frente a los errores que se acumulan durante la computación. Esta corrección de errores cuánticos requiere muchos recursos y requiere mucho tiempo computacionalmente. Pero los investigadores han encontrado un método de software eficaz que permite una compresión significativa de circuitos cuánticos, relajar las demandas impuestas al desarrollo de hardware.

Las computadoras cuánticas aún pueden estar lejos de ser una realidad comercial, pero lo que se denomina `` ventaja cuántica '', la capacidad de una computadora cuántica para calcular cientos o miles de veces más rápido que una computadora clásica, se ha logrado de hecho en lo que se denominan dispositivos cuánticos de escala intermedia ruidosa (NISQ) en las primeras pruebas de -principios experimentos.

Desafortunadamente, Los dispositivos NISQ todavía son propensos a muchos errores que se acumulan durante su funcionamiento. Para que haya alguna aplicación del mundo real de la ventaja cuántica, Se requiere el diseño de una computadora cuántica a gran escala totalmente operativa con una alta tolerancia a errores. En la actualidad, Los dispositivos NISQ se pueden diseñar con aproximadamente 100 qubits, pero las computadoras tolerantes a fallas necesitarían millones de qubits físicos como mínimo para codificar la información lógica con tasas de error suficientemente bajas. Una implementación tolerante a fallas de circuitos computacionales cuánticos no solo hace que la computadora cuántica sea más grande, pero también el tiempo de ejecución más largo en órdenes de magnitud. A su vez, un tiempo de ejecución extendido significa que el cálculo es aún más susceptible a errores.

Si bien los avances en hardware pueden abordar esta brecha de recursos, Investigadores del Instituto Nacional de Informática (NII) y Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) en Japón abordaron el problema desde el lado del desarrollo de software comprimiendo circuitos cuánticos en computadoras cuánticas tolerantes a fallas a gran escala. potencialmente reduciendo la necesidad de mejoras de hardware.

"Al comprimir circuitos cuánticos, podríamos reducir el tamaño de la computadora cuántica y su tiempo de ejecución, lo que a su vez reduce el requisito de protección contra errores, "dijo Michael Hanks, investigador del NII y uno de los autores de un artículo, publicado el 11 de noviembre en Revisión física X .

Las arquitecturas de computadoras cuánticas a gran escala dependen de un código de corrección de errores para funcionar correctamente, el más utilizado es el código de superficie y sus variantes.

Los investigadores se centraron en la compresión del circuito de una de estas variantes:el código topológico 3D. Este código se comporta particularmente bien para los enfoques de computadoras cuánticas distribuidas y tiene una amplia aplicabilidad a diferentes variedades de hardware. En el código topológico 3-D, Los circuitos cuánticos parecen tubos o tuberías entrelazados, y se denominan comúnmente "circuitos trenzados. Los diagramas tridimensionales de los circuitos trenzados se pueden manipular para comprimir y reducir así el volumen que ocupan. Hasta ahora, el desafío ha sido que tal "manipulación de tuberías" se realiza de manera ad-hoc. Es más, Solo ha habido reglas parciales sobre cómo hacer esto.

"Los enfoques de compresión anteriores no pueden garantizar si el circuito cuántico resultante es correcto, "dijo la coautora Marta Estarellas, investigador del NII. "Hay que tener mucho cuidado de comprobar su exactitud cada vez que se aplica una de estas reglas de compresión. Este es un tema importante, como tal, una tarea es tan difícil como ejecutar todo el circuito cuántico ".

El equipo de investigación propone el uso del cálculo ZX como lenguaje para esta etapa intermedia de compilación. ZX-calculus es un lenguaje de diagramación 2-D (que usa diagramas e imágenes en lugar de palabras) desarrollado a fines de la década de 2000 expresamente para permitir una representación intuitiva de los procesos de qubit. Más importante, viene con un conjunto completo de reglas de manipulación.

En su papel los investigadores aprovechan el cálculo ZX al descubrir las relaciones de traducción entre el cálculo ZX y los componentes del circuito trenzado. Los investigadores han demostrado que estas dos representaciones de circuitos de puertas lógicas se pueden mapear entre sí identificando una nueva interpretación que había estado oculta dentro del cálculo ZX todo el tiempo.

El lenguaje de cálculo ZX puede aplicar un conjunto de reglas de transformación para alterar la estructura del circuito sin alterar su significado matemático subyacente (y por lo tanto su funcionamiento) y, por lo tanto, garantizar su corrección. Al alterar cuidadosamente esa estructura conceptual, el volumen del circuito se puede minimizar, logrando tasas de compresión considerables una vez que esta nueva estructura se asigna al circuito cuántico trenzado real.

Aplicando esta técnica, los investigadores informan reducciones de compresión de hasta un 77 por ciento, equivalente a una reducción del 40 por ciento en comparación con los mejores esfuerzos anteriores.

"El método de compresión y su desarrollo posterior podrían ofrecer la realización de una computadora cuántica tolerante a fallas del mundo real años antes de lo previsto, "dijo William J. Munro, un científico investigador en NTT, quien también contribuyó a la investigación.

"Curiosamente, también podría ser la base del futuro desarrollo del sistema operativo, "dijo Kae Nemoto, Director del Centro de Investigación Global para la Ciencia de la Información Cuántica en NII. "Todavía podrían pasar muchos años para que estos desarrollos de software se implementen en computadoras cuánticas totalmente escalables", agregó. pero nuestro método podría ahorrar una gran cantidad de esfuerzo asociado con el desarrollo de hardware mientras tanto ".