Los qubits de espín prometedores para las tecnologías cuánticas, como los defectos en el carburo de silicio, se simulan en una computadora cuántica, revelando y mitigando el efecto del ruido del hardware. Crédito:Benchen Huang, Universidad de Chicago.
Las computadoras cuánticas prometen revolucionar la ciencia al permitir cálculos que antes se creían imposibles. Pero para que las computadoras cuánticas se conviertan en una realidad cotidiana, hay un largo camino por recorrer con muchas pruebas desafiantes que superar.
Una de las pruebas implica el uso de computadoras cuánticas para simular las propiedades de los materiales para las tecnologías cuánticas de próxima generación.
En un nuevo estudio del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y la Universidad de Chicago, los investigadores realizaron simulaciones cuánticas de defectos de espín, que son impurezas específicas en materiales que podrían ofrecer una base prometedora para nuevas tecnologías cuánticas. El estudio mejoró la precisión de los cálculos en computadoras cuánticas al corregir el ruido introducido por el hardware cuántico.
La investigación se realizó como parte del Midwest Integrated Center for Computational Materials (MICCoM), un programa de ciencia de materiales computacionales del DOE con sede en Argonne, así como Q-NEXT, un Centro Nacional de Investigación de Ciencias de la Información Cuántica del DOE.
"La razón por la que hacemos este tipo de simulaciones es para obtener una comprensión fundamental de las propiedades de los materiales y también para decirles a los experimentadores cómo diseñar mejor los materiales para las nuevas tecnologías", dijo Giulia Galli, profesora de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular y del Departamento. de Química de la Universidad de Chicago, científico senior del Laboratorio Nacional de Argonne, colaborador de Q-NEXT y director de MICCoM. "Los resultados experimentales obtenidos para los sistemas cuánticos a menudo son bastante complejos y pueden ser difíciles de interpretar. Tener una simulación es importante para ayudar a interpretar los resultados experimentales y luego presentar nuevas predicciones".
Si bien las simulaciones cuánticas se han realizado durante mucho tiempo en computadoras tradicionales, las computadoras cuánticas podrían resolver problemas que incluso las computadoras tradicionales más poderosas de hoy no pueden abordar. Queda por verse alcanzar ese objetivo, ya que los investigadores en torno al trabajo continúan el esfuerzo para construir y usar computadoras cuánticas
"Queremos aprender a utilizar las nuevas tecnologías informáticas que están surgiendo", dijo Galli, autor principal del artículo. "Desarrollar estrategias sólidas en los primeros días de la computación cuántica es un primer paso importante para poder comprender cómo usar estas máquinas de manera eficiente en el futuro".
Observar los defectos de espín ofrece un sistema del mundo real para validar las capacidades de las computadoras cuánticas.
"La gran mayoría de los cálculos con computadoras cuánticas en estos días se realizan en sistemas modelo", dijo Galli. "Estos modelos son interesantes en teoría, pero simular un material real de interés experimental es más valioso para toda la comunidad científica".
Realizar cálculos de las propiedades de materiales y moléculas en computadoras cuánticas enfrenta un problema que no se experimenta con una computadora clásica, un fenómeno conocido como ruido de hardware. Los cálculos ruidosos devuelven respuestas ligeramente diferentes cada vez que se realiza un cálculo; una operación de suma ruidosa podría devolver valores ligeramente diferentes de 4 cada vez para la pregunta "¿Cuánto es 2 más 2?"
"La incertidumbre en la medición depende del hardware cuántico", dijo el científico de Argonne Marco Govoni, coautor principal del estudio. "Uno de los logros de nuestro trabajo es que pudimos corregir nuestras simulaciones para compensar el ruido que encontramos en el hardware".
Comprender cómo manejar el ruido en las computadoras cuánticas para simulaciones realistas es un resultado importante, dijo el estudiante graduado de la Universidad de Chicago Benchen Huang, el primer autor del estudio.
"Podemos anticipar que en el futuro podríamos tener computación cuántica sin ruido; aprender a eliminar o cancelar el ruido en nuestra simulación también nos enseñará si la ventaja cuántica puede convertirse en una realidad y para qué problemas en la ciencia de los materiales".
Al final, según Galli, el potencial innovador de las computadoras cuánticas motivará más trabajo en esta línea.
"Acabamos de empezar", dijo. "El camino por delante parece lleno de emocionantes desafíos".
Un artículo basado en el estudio apareció en línea en Physical Review X Quantum el 10 de marzo. + Explora más
