La investigación realizada dentro del Clúster de Excelencia "Materia y Luz para Computación Cuántica" (ML4Q) ha analizado estructuras de dispositivos de vanguardia de computadoras cuánticas para demostrar que algunas de ellas están operando peligrosamente cerca de un umbral de fusión caótica. El desafío es caminar por una delgada línea entre un desorden demasiado alto, pero también demasiado bajo para salvaguardar el funcionamiento del dispositivo. El estudio ha sido publicado hoy en Nature Communications .

En la carrera por lo que puede convertirse en una tecnología clave del futuro, los gigantes tecnológicos como IBM y Google están invirtiendo enormes recursos en el desarrollo de hardware de computación cuántica. Sin embargo, las plataformas actuales aún no están listas para aplicaciones prácticas. Quedan múltiples desafíos, entre ellos el control de las imperfecciones de los dispositivos ("desorden").

Es una vieja precaución de estabilidad:cuando grandes grupos de personas cruzan puentes, deben evitar marchar al paso para evitar la formación de resonancias que desestabilicen la construcción. Tal vez de manera contradictoria, el procesador transmon qubit superconductor, una plataforma tecnológicamente avanzada para la computación cuántica favorecida por IBM, Google y otros consorcios, se basa en el mismo principio:el desorden introducido intencionalmente bloquea la formación de fluctuaciones caóticas resonantes, convirtiéndose así en una parte esencial del sistema. producción de procesadores multi-qubit.

Para entender este punto aparentemente paradójico, uno debería pensar en un transmon qubit como una especie de péndulo. Los qubits interconectados para formar una estructura informática definen un sistema de péndulos acoplados, un sistema que, como los péndulos clásicos, puede excitarse fácilmente a oscilaciones incontrolablemente grandes con consecuencias desastrosas. En el mundo cuántico, tales oscilaciones incontrolables conducen a la destrucción de la información cuántica; la computadora se vuelve inutilizable. Las 'desafinaciones' locales introducidas intencionalmente de péndulos individuales mantienen a raya este fenómeno.

"El chip transmon no solo tolera, sino que en realidad requiere imperfecciones aleatorias de dispositivo de qubit a qubit", explicó Christoph Berke, estudiante de doctorado de último año en el grupo de Simon Trebst en la Universidad de Colonia y primer autor del artículo. "En nuestro estudio, preguntamos qué tan confiable es el principio de 'estabilidad por aleatoriedad' en la práctica. Al aplicar diagnósticos de última generación de la teoría de los sistemas desordenados, pudimos encontrar que al menos algunos de los sistemas industrialmente Las arquitecturas de sistemas buscadas están peligrosamente cerca de la inestabilidad".

Desde el punto de vista de la física cuántica fundamental, un procesador transmon es un sistema cuántico de muchos cuerpos con niveles de energía cuantizados. Las herramientas numéricas de última generación permiten calcular estos niveles discretos en función de los parámetros relevantes del sistema, para obtener patrones que se asemejan superficialmente a una maraña de espaguetis cocidos. Un análisis cuidadoso de tales estructuras para chips de Google e IBM modelados de manera realista fue una de varias herramientas de diagnóstico aplicadas en el documento para trazar un diagrama de estabilidad para la computación cuántica transmon.

"Cuando comparamos los chips de Google con los de IBM, descubrimos que en el último caso, los estados de qubit pueden acoplarse hasta el punto de que las operaciones de puerta controladas pueden verse comprometidas", dijo Simon Trebst, jefe del grupo de Física Computacional de Materia Condensada de la Universidad. de Colonia. Para asegurar las operaciones de puerta controladas, es necesario encontrar el sutil equilibrio entre estabilizar la integridad de los qubits y permitir el acoplamiento entre qubits. En la jerga de la preparación de la pasta, es necesario preparar el procesador de la computadora cuántica a la perfección, manteniendo los estados de energía 'al dente' y evitando que se enreden por la cocción excesiva.

El estudio del desorden en el hardware transmon se realizó como parte del Cluster of Excellence ML4Q en un trabajo colaborativo entre los grupos de investigación de Simon Trebst y Alexander Altland en la Universidad de Colonia y el grupo de David DiVincenzo en la Universidad RWTH Aachen y Forschungszentrum Jülich. "Este proyecto colaborativo es bastante único", dice Alexander Altland del Instituto de Física Teórica de Colonia. "Nuestro conocimiento complementario del hardware transmon, la simulación numérica de sistemas complejos de muchos cuerpos y el caos cuántico fue el requisito previo perfecto para comprender cómo se puede proteger la información cuántica con desorden. También indica cómo los conocimientos obtenidos para los sistemas de referencia pequeños se pueden transferir a la aplicación. -escala de diseño relevante."

David DiVincenzo, director fundador del JARA-Institute for Quantum Information en la Universidad RWTH Aachen, llega a la siguiente conclusión:"Nuestro estudio demuestra cuán importante es para los desarrolladores de hardware combinar el modelado de dispositivos con la metodología de aleatoriedad cuántica de última generación y para integrar el 'diagnóstico del caos' como una parte rutinaria del diseño del procesador qubit en la plataforma superconductora". + Explora más

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