Los físicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley Christian Bauer, Marat Freytsis y Benjamin Nachman han aprovechado una computadora cuántica IBM Q a través del Programa de usuario de computación cuántica de Oak Ridge Leadership Computing Facility para capturar parte de un cálculo de dos protones en colisión. El cálculo puede mostrar la probabilidad de que una partícula saliente emita partículas adicionales.

En el artículo reciente del equipo, publicado en Physical Review Letters , los investigadores describen cómo usaron un método llamado teoría del campo efectivo para dividir su teoría completa en componentes. Finalmente, desarrollaron un algoritmo cuántico para permitir el cálculo de algunos de estos componentes en una computadora cuántica mientras dejaban otros cálculos para las computadoras clásicas.

"Para una teoría cercana a la naturaleza, mostramos cómo funcionaría esto en principio. Luego tomamos una versión muy simplificada de esa teoría e hicimos un cálculo explícito en una computadora cuántica", dijo Nachman.

El equipo de Berkeley Lab tiene como objetivo descubrir información sobre los componentes básicos más pequeños de la naturaleza mediante la observación de colisiones de partículas de alta energía en entornos de laboratorio, como el Gran Colisionador de Hadrones en Ginebra, Suiza. El equipo está explorando lo que sucede en estas colisiones mediante el uso de cálculos para comparar las predicciones con los restos reales de la colisión.

"Una de las dificultades de este tipo de cálculos es que queremos describir una amplia gama de energías", dijo Nachman. "Queremos describir los procesos de mayor energía hasta los procesos de menor energía mediante el análisis de las partículas correspondientes que vuelan hacia nuestro detector".

El uso de una computadora cuántica sola para resolver este tipo de cálculos requiere una cantidad de qubits que está mucho más allá de los recursos de computación cuántica disponibles en la actualidad. El equipo puede calcular estos problemas en sistemas clásicos utilizando aproximaciones, pero estas ignoran efectos cuánticos importantes. Por lo tanto, el equipo se propuso separar el cálculo en diferentes partes que fueran adecuadas para sistemas clásicos o computadoras cuánticas.

El equipo realizó experimentos en IBM Q a través del programa QCUP de OLCF en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía de EE. UU. para verificar que los algoritmos cuánticos que desarrollaron reprodujeran los resultados esperados a una escala pequeña que aún se puede calcular y confirmar con computadoras clásicas.

"Este es un problema de demostración absolutamente crítico", dijo Nachman. "Para nosotros, es importante que describamos teóricamente las propiedades de estas partículas y luego implementemos una versión de ellas en una computadora cuántica. Muchos de los desafíos que surgen cuando se ejecuta en una computadora cuántica no ocurren teóricamente. Nuestro algoritmo escala, así que cuando obtengamos más recursos cuánticos, podremos hacer cálculos que no podríamos hacer de forma clásica".

El equipo también tiene como objetivo hacer que las computadoras cuánticas sean utilizables para que puedan realizar el tipo de ciencia que esperan hacer. Las computadoras cuánticas son ruidosas y este ruido introduce errores en los cálculos. Por lo tanto, el equipo también implementó técnicas de mitigación de errores que habían desarrollado en trabajos anteriores.

A continuación, el equipo espera agregar más dimensiones a su problema, dividir su espacio en una cantidad menor de puntos y aumentar el tamaño de su problema. Eventualmente, esperan hacer cálculos en una computadora cuántica que no son posibles con las computadoras clásicas.

"Las computadoras cuánticas que están disponibles a través del acuerdo IBM Q de ORNL tienen alrededor de 100 qubits, por lo que deberíamos poder escalar a sistemas de mayor tamaño", dijo Nachman.

Los investigadores también esperan relajar sus aproximaciones y pasar a problemas de física más cercanos a la naturaleza para poder realizar cálculos que sean más que una prueba de concepto. + Explora más

Hacia una computadora cuántica que calcule la energía molecular