Investigadores de la Universidad de Duke y la Universidad de Maryland han utilizado la frecuencia de las mediciones en una computadora cuántica para vislumbrar los fenómenos cuánticos de los cambios de fase, algo análogo al agua que se convierte en vapor.

Al medir la cantidad de operaciones que se pueden implementar en un sistema de computación cuántica sin desencadenar el colapso de su estado cuántico, los investigadores obtuvieron información sobre cómo otros sistemas, tanto naturales como computacionales, alcanzan sus puntos de inflexión entre fases. Los resultados también brindan orientación a los científicos informáticos que trabajan para implementar la corrección de errores cuánticos que eventualmente permitirá que las computadoras cuánticas alcancen su máximo potencial.

Los resultados aparecieron en línea el 3 de junio en la revista Nature Physics .

Al calentar el agua hasta que hierva, el movimiento de las moléculas evoluciona a medida que cambia la temperatura hasta que llega a un punto crítico cuando comienza a convertirse en vapor. De manera similar, un sistema de computación cuántica se puede manipular cada vez más en pasos de tiempo discretos hasta que su estado cuántico colapsa en una única solución.

"Existen conexiones profundas entre las fases de la materia y la teoría cuántica, que es lo fascinante", dijo Crystal Noel, profesora asistente de ingeniería y física eléctrica e informática en Duke. "El sistema de computación cuántica se comporta de la misma manera que los sistemas cuánticos que se encuentran en la naturaleza, como un líquido que se convierte en vapor, aunque es digital".

El poder de las computadoras cuánticas radica en la capacidad de sus qubits de ser una combinación de 1 y 0 al mismo tiempo, con un crecimiento exponencial de la complejidad del sistema a medida que se agregan más qubits. Esto les permite abordar un problema con un paralelismo masivo, como intentar encajar todas las piezas de un rompecabezas a la vez en lugar de una a la vez. Los qubits, sin embargo, tienen que ser capaces de mantener su indecisión cuántica hasta que se alcance una solución.

Uno de los muchos desafíos que esto presenta es la corrección de errores. Algunos de los qubits inevitablemente perderán una parte de la información, y el sistema debe poder descubrir y corregir estos errores. Pero debido a que los sistemas cuánticos pierden su "cuanticidad" cuando se miden, estar atentos a los errores es una tarea complicada. Incluso con qubits adicionales vigilando las cosas, cuanto más se prueba un algoritmo cuántico en busca de errores, más probable es que falle.

"Al igual que las moléculas de agua a punto de convertirse en vapor, hay un umbral de medidas que una computadora cuántica puede soportar antes de perder su información cuántica", dijo Noel. "Y esa cantidad de mediciones es una analogía de cuántos errores puede soportar la computadora y seguir funcionando correctamente".

En el nuevo artículo, Noel y sus colegas investigan ese umbral de transición y el estado del sistema en ambos lados.

En estrecha colaboración con Christopher Monroe, Profesor Distinguido Presidencial de Ingeniería y Física de la Familia Gilhuly en Duke, Marko Cetina, profesor asistente de física en Duke, y Michael Gullans y Alexey Gorshkov en la Universidad de Maryland y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, el El grupo codiseñó un software para ejecutar circuitos cuánticos aleatorios adaptados a las capacidades de su sistema cuántico. El experimento se llevó a cabo en una de las computadoras cuánticas de trampa de iones del Duke Quantum Center, uno de los sistemas de computación cuántica más poderosos del mundo.

"La cantidad de qubits en el sistema, la fidelidad de sus operaciones y el nivel de automatización del sistema combinados al mismo tiempo es exclusivo de este sistema informático cuántico", dijo Noel. "Otros sistemas han podido lograr cada uno individualmente, pero nunca los tres al mismo tiempo en un sistema académico. Eso es lo que nos permitió realizar estos experimentos".

Al promediar muchos circuitos aleatorios, el equipo pudo ver cómo la frecuencia de medición afectaba a los qubits. Como se predijo, surgió un punto crítico en el que el sistema inevitablemente perdió su coherencia e información cuántica, y al observar cómo se comportó el sistema en ambos lados de esa transición de fase, los investigadores podrán construir mejores enfoques para los códigos de corrección de errores en el futuro.

Los datos también brindan una visión única de cómo ocurren otros cambios de fase en la naturaleza que los investigadores nunca antes habían podido ver.

"Esta demostración es un ejemplo perfecto de lo que hacemos únicamente en el Duke Quantum Center", dijo Monroe. "Mientras que nuestras computadoras cuánticas están hechas de átomos que están bajo un control exquisito con trampas electromagnéticas, láseres y óptica, podemos implementar estos sistemas para hacer algo completamente diferente, en este caso sondear la naturaleza cuántica subyacente de las transiciones de fase. Esta misma computadora cuántica puede también se puede aplicar para resolver modelos desconcertantes en campos que van desde reacciones químicas, secuenciación de ADN y astrofísica. Esto requiere experiencia no solo en física atómica, sino también en ingeniería de sistemas, informática y cualquier campo que defina la aplicación a ejecutar". + Explora más

La computación cuántica sin errores se hace realidad