Aunque las computadoras cuánticas son una tecnología joven y aún no están listas para el uso práctico de rutina, Los investigadores ya han estado investigando las limitaciones teóricas que unirán a las tecnologías cuánticas. Una de las cosas que los investigadores han descubierto es que existen límites a la rapidez con la que la información cuántica puede correr a través de cualquier dispositivo cuántico.

Estos límites de velocidad se denominan límites Lieb-Robinson, y, por muchos años, algunos de los límites se han burlado de los investigadores. Para ciertas tareas, había una brecha entre las mejores velocidades permitidas por la teoría y las velocidades posibles con los mejores algoritmos que nadie había diseñado. Es como si ningún fabricante de automóviles pudiera imaginar cómo hacer un modelo que alcanzara el límite de las carreteras locales.

Pero a diferencia de los límites de velocidad en las carreteras, Los límites de velocidad de la información no se pueden ignorar cuando se tiene prisa; son el resultado inevitable de las leyes fundamentales de la física. Para cualquier tarea cuántica, Existe un límite en la rapidez con que las interacciones pueden hacer sentir su influencia (y por lo tanto transferir información) a cierta distancia. Las reglas subyacentes definen el mejor rendimiento posible. De este modo, los límites de velocidad de la información se parecen más a la puntuación máxima de un juego de arcade de la vieja escuela que a las leyes de tráfico, y lograr la máxima puntuación es un premio atractivo para los científicos.

Ahora un equipo de investigadores, dirigido por el miembro de JQI Alexey Gorshkov, han encontrado un protocolo cuántico que alcanza los límites de velocidad teóricos para ciertas tareas cuánticas. Su resultado proporciona una nueva perspectiva sobre el diseño de algoritmos cuánticos óptimos y demuestra que no ha habido un menor, límite desconocido que frustra los intentos de hacer mejores diseños. Gorshkov, quien también es miembro del Centro Conjunto de Información Cuántica y Ciencias de la Computación (QuICS) y físico en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, y sus colegas presentaron su nuevo protocolo en un artículo reciente publicado en la revista Revisión física X .

"Esta brecha entre las velocidades máximas y las velocidades alcanzables nos había estado molestando, porque no sabíamos si era el lazo el que estaba suelto, o si no fuimos lo suficientemente inteligentes como para mejorar el protocolo, "dice Minh Tran, un estudiante de posgrado de JQI y QuICS que fue el autor principal del artículo. "En realidad, no esperábamos que esta propuesta fuera tan poderosa. Y estábamos intentando mucho para mejorar el límite, resulta que eso no fue posible. Entonces, estamos entusiasmados con este resultado ".

Como era de esperar, el límite de velocidad teórico para enviar información en un dispositivo cuántico (como una computadora cuántica) depende de la estructura subyacente del dispositivo. El nuevo protocolo está diseñado para dispositivos cuánticos donde los bloques de construcción básicos, los qubits, se influyen entre sí incluso cuando no están uno al lado del otro. En particular, el equipo diseñó el protocolo para qubits que tienen interacciones que se debilitan a medida que aumenta la distancia entre ellos. El nuevo protocolo funciona para una variedad de interacciones que no se debilitan demasiado rápido, que cubre las interacciones en muchos bloques de construcción prácticos de tecnologías cuánticas, incluidos los centros de vacantes de nitrógeno, Átomos de Rydberg, moléculas polares e iones atrapados.

Crucialmente, el protocolo puede transferir información contenida en un estado cuántico desconocido a un qubit distante, una característica esencial para lograr muchas de las ventajas prometidas por las computadoras cuánticas. Esto limita la forma en que se puede transferir la información y descarta algunos enfoques directos, como simplemente crear una copia de la información en la nueva ubicación. (Eso requiere conocer el estado cuántico que está transfiriendo).

En el nuevo protocolo, los datos almacenados en un qubit se comparten con sus vecinos, utilizando un fenómeno llamado entrelazamiento cuántico. Luego, ya que todos esos qubits ayudan a llevar la información, trabajan juntos para difundirlo a otros conjuntos de qubits. Porque hay más qubits involucrados, transfieren la información aún más rápidamente.

Este proceso se puede repetir para seguir generando bloques más grandes de qubits que pasan la información cada vez más rápido. Entonces, en lugar del método sencillo de qubits pasando información uno por uno como un equipo de baloncesto que pasa la pelota por la cancha, los qubits son más como copos de nieve que se combinan en una bola de nieve más grande y que rueda más rápidamente en cada paso. Y cuanto más grande es la bola de nieve, más copos se pegan con cada revolución.

Pero ahí es quizás donde terminan las similitudes con las bolas de nieve. A diferencia de una bola de nieve real, la colección cuántica también se puede desenrollar. La información se deja en el qubit distante cuando el proceso se ejecuta a la inversa, devolviendo todos los otros qubits a sus estados originales.

Cuando los investigadores analizaron el proceso, encontraron que los qubits en forma de bola de nieve aceleran a lo largo de la información en los límites teóricos permitidos por la física. Dado que el protocolo alcanza el límite previamente probado, ningún protocolo futuro debería poder superarlo.

"El nuevo aspecto es la forma en que entrelazamos dos bloques de qubits, "Tran dice". Anteriormente, había un protocolo que entrelazaba la información en un bloque y luego intentaba fusionar los qubits del segundo bloque uno por uno. Pero ahora, debido a que también entrelazamos los qubits en el segundo bloque antes de fusionarlo con el primer bloque, la mejora será mayor ".

El protocolo es el resultado de que el equipo explore la posibilidad de mover simultáneamente información almacenada en múltiples qubits. Se dieron cuenta de que el uso de bloques de qubits para mover información mejoraría la velocidad de un protocolo.

"En el aspecto práctico, el protocolo nos permite no solo propagar información, pero también enreda las partículas más rápido, "Dice Tran." Y sabemos que usando partículas entrelazadas se pueden hacer muchas cosas interesantes como medir y detectar con mayor precisión. Y mover la información rápidamente también significa que puede procesar la información más rápido. Hay muchos otros cuellos de botella en la construcción de computadoras cuánticas, pero al menos en el lado de los límites fundamentales, sabemos lo que es posible y lo que no ".

Además de los conocimientos teóricos y las posibles aplicaciones tecnológicas, Los resultados matemáticos del equipo también revelan nueva información sobre qué tan grande debe ser un cálculo cuántico para simular partículas con interacciones como las de los qubits en el nuevo protocolo. Los investigadores esperan explorar los límites de otros tipos de interacciones y explorar aspectos adicionales del protocolo, como cuán robusto es contra el ruido que interrumpe el proceso.