Se espera que las computadoras cuánticas revolucionen la forma en que los investigadores resuelven problemas informáticos difíciles. Estas computadoras están siendo diseñadas para enfrentar grandes desafíos en áreas de investigación fundamentales, como la química cuántica. En su etapa actual de desarrollo, la computación cuántica aún es muy sensible al ruido y a los factores disruptivos del entorno. Esto hace que la computación cuántica sea "ruidosa", ya que los bits cuánticos, o qubits, pierden información al perder la sincronización, un proceso llamado decoherencia.

Para superar las limitaciones de las computadoras cuánticas actuales, los investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) están desarrollando simulaciones que brindan una idea de cómo funcionan las computadoras cuánticas.

"Cuando tratamos de observar directamente el comportamiento de los sistemas cuánticos, como los qubits, sus estados cuánticos colapsarán", dijo Ang Li, científico informático de PNNL. Li también es investigadora del Quantum Science Center y del Co-Design Center for Quantum Advantage, dos de los cinco Centros Nacionales de Investigación de Ciencias de la Información Cuántica del Departamento de Energía. "Para evitar esto, usamos simulaciones para estudiar los qubits y su interacción con el medio ambiente".

Li y sus colaboradores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge y Microsoft utilizan computación de alto rendimiento para desarrollar simuladores que imitan dispositivos cuánticos reales para ejecutar circuitos cuánticos complejos. Recientemente, combinaron dos tipos diferentes de simulaciones para crear el Simulador Cuántico del Noroeste (NWQ-Sim) para probar algoritmos cuánticos.

"Probar algoritmos cuánticos en dispositivos cuánticos es lento y costoso. Además, algunos algoritmos son demasiado avanzados para los dispositivos cuánticos actuales", dijo Li. "Nuestros simuladores cuánticos pueden ayudarnos a mirar más allá de las limitaciones de los dispositivos existentes y probar algoritmos para sistemas más sofisticados".

Algoritmos para computadoras cuánticas

Nathan Wiebe, un designado conjunto de PNNL de la Universidad de Toronto y profesor afiliado de la Universidad de Washington, está adoptando otra estrategia con la escritura de código para computadoras cuánticas. Aunque a veces puede ser frustrante estar limitado por las capacidades de los dispositivos cuánticos actuales, Wiebe ve este desafío como una oportunidad.

"Los circuitos cuánticos ruidosos producen errores en los cálculos", dijo Wiebe. "Cuantos más qubits se necesitan para un cálculo, más propenso a errores".

Wiebe y colaboradores de la Universidad de Washington desarrollaron algoritmos novedosos para corregir estos errores en ciertos tipos de simulaciones.

"Este trabajo proporciona una forma más económica y rápida de realizar la corrección de errores cuánticos. Potencialmente nos acerca a la demostración de un ejemplo computacionalmente útil de una simulación cuántica para la teoría cuántica de campos en hardware cuántico a corto plazo", dijo Wiebe.

La materia oscura se encuentra con la computación cuántica

Mientras que Wiebe busca mitigar el ruido mediante la creación de algoritmos para la corrección de errores, el físico Ben Loer y sus colegas miran al entorno para controlar las fuentes externas de ruido.

Loer usa su experiencia para lograr niveles ultrabajos de radiactividad natural, necesarios para buscar evidencia experimental de materia oscura en el universo, para ayudar a prevenir la decoherencia de los qubits.

"La radiación del medio ambiente, como los rayos gamma y los rayos X, existe en todas partes", dijo Loer. "Dado que los qubits son tan sensibles, tuvimos la idea de que esta radiación podría estar interfiriendo con sus estados cuánticos".

Para probar esto, Loer, el líder del proyecto Brent VanDevender y su colega John Orrell, se asociaron con investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y el Laboratorio Lincoln del MIT utilizaron un escudo de plomo para proteger los qubits de la radiación. Diseñaron el escudo para su uso dentro de un refrigerador de dilución, una tecnología utilizada para producir la temperatura justo por encima del cero absoluto necesaria para operar qubits superconductores. Vieron que la decoherencia de los qubits disminuía cuando los qubits estaban protegidos.

Si bien este es el primer paso para comprender cómo la radiación afecta la computación cuántica, Loer planea observar cómo la radiación perturba los circuitos y sustratos dentro de un sistema cuántico. "Podemos simular y modelar estas interacciones cuánticas para ayudar a mejorar el diseño de dispositivos cuánticos", dijo Loer.

Loer está llevando su investigación sobre el refrigerador de dilución blindado con plomo bajo tierra en el Laboratorio Subterráneo Poco Profundo de PNNL con la ayuda del químico de PNNL Marvin Warner

"Si desarrollamos un dispositivo cuántico que no funciona como debería, debemos poder identificar el problema", dijo Warner. "Al proteger los qubits de la radiación externa, podemos comenzar a caracterizar otras posibles fuentes de ruido en el dispositivo". + Explora más

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