Las técnicas utilizadas por el equipo podrían ayudar a desarrollar capacidades de simulación cuántica para la próxima generación de computadoras cuánticas.

El estudio utilizó la computadora H1-1 de Quantinuum para modelar una versión cuántica de un modelo matemático clásico que rastrea cómo se propaga una enfermedad. El tiempo en la computadora fue proporcionado por QCUP, parte de Oak Ridge Leadership Computing Facility, que otorga tiempo en procesadores cuánticos de propiedad privada en todo el país para respaldar proyectos de investigación.

El modelo utilizó bits cuánticos, o qubits, para simular la transición entre estados activos, como infección, y estados inactivos, como muerte o recuperación.

"El objetivo de este estudio era trabajar para desarrollar capacidades en una computadora cuántica para resolver este problema y otros similares que son difíciles de calcular en computadoras convencionales", dijo Andrew Potter, coautor del estudio y profesor asistente de física. en la Universidad de Columbia Británica en Vancouver.

"Este experimento modela el intento de dirigir un sistema cuántico hacia un estado particular mientras compite con las fluctuaciones cuánticas que se alejan de este estado. Hay un punto de transición donde estos efectos competitivos se equilibran exactamente. Ese punto separa una fase en la que la dirección tiene éxito y en la que falla. "

Cuanto más se desequilibre el sistema, es más probable que las versiones clásicas del modelo fracasen debido al tamaño y la complejidad de las ecuaciones. El equipo de investigación intentó utilizar la computación cuántica para modelar esas dinámicas.

Las computadoras clásicas almacenan información en bits iguales a 0 o 1. En otras palabras, un bit clásico, como un interruptor de luz, existe en uno de dos estados:encendido o apagado. Esa dinámica binaria no necesariamente se ajusta al modelado de estados de transición como los estudiados en el modelo de enfermedad.

La computación cuántica utiliza las leyes de la mecánica cuántica para almacenar información en qubits, el equivalente cuántico de los bits. Los qubits pueden existir en más de un estado simultáneamente mediante la superposición cuántica, lo que les permite transportar más información que los bits clásicos.

En la superposición cuántica, un qubit puede existir en dos estados al mismo tiempo, similar a una moneda que gira:ni cara ni cruz para la moneda, ni una frecuencia ni la otra para el qubit. Medir el valor del qubit determina la probabilidad de medir cualquiera de los dos valores posibles, similar a detener la moneda en cara o cruz. Esa dinámica permite una gama más amplia de valores posibles que podrían usarse para estudiar cuestiones complejas como los estados de transición.

Los investigadores esperan que esas posibilidades impulsen una revolución cuántica que haga que las computadoras cuánticas superen a las máquinas clásicas en velocidad y potencia. Sin embargo, los qubits utilizados por las máquinas cuánticas actuales tienden a degradarse fácilmente. Ese deterioro provoca altas tasas de error que pueden confundir los resultados de cualquier modelo mayor que un problema de prueba.

Potter y sus colegas obtuvieron tiempo a través de QCUP en la computadora Quantinuum, que utiliza iones atrapados como qubits. Midieron circuitos, o puertas cuánticas, a lo largo del experimento y utilizaron una técnica conocida como reciclaje de qubits para eliminar los qubits degradados.

"Usamos el procesador cuántico para simular un sistema donde los qubits activos tienen la capacidad de activar qubits vecinos o volverse inactivos", dijo Potter. "Al monitorear el sistema en tiempo real en cada paso y probarlo a medida que avanzamos, podríamos detectar la probabilidad de que realizar una puerta cuántica en un qubit pueda afectar el estado de un qubit y, si no, eliminarlo del cálculo. Esto De esta manera evitamos la posibilidad de que se produzcan errores."

El equipo determinó que podían utilizar su enfoque en 20 qubits para mantener bajos los errores y simular un sistema cuántico casi cuatro veces ese tamaño. Estimaron en 70 qubits que su enfoque podría igualar o superar las capacidades de una computadora clásica.

"Esta es la primera vez que el enfoque se utiliza para un sistema de este tamaño", dijo Potter.

Los siguientes pasos incluyen aplicar el reciclaje de qubit a los problemas cuánticos, como simular las propiedades de los materiales y calcular sus estados de energía más bajos o estados terrestres cuánticos.

El artículo se publica en la revista Nature Physics .