Obrint el camí cap a una informàtica quàntica robusta | Notícies del MIT


Els investigadors del MIT han fet un avenç significatiu en el camí cap a la plena realització de la computació quàntica, demostrant una tècnica que elimina els errors comuns en el funcionament més essencial dels algorismes quàntics, l’operació de dos qubits o “porta”.

“Malgrat l’enorme progrés per poder realitzar càlculs amb baixes taxes d’error amb bits quàntics superconductors (qubits), els errors en les portes de dos qubits, un dels components bàsics de la computació quàntica, persisteixen”, diu Youngkyu Sung, estudiant de postgrau del MIT. enginyeria elèctrica i informàtica que és l’autor principal d’un article sobre aquest tema publicat avui a Revisió física X. “Hem demostrat una manera de reduir dràsticament aquests errors”.

En els ordinadors quàntics, el processament de la informació és un procés extremadament delicat realitzat pels fràgils qubits, que són molt susceptibles a la decoherència, la pèrdua del seu comportament mecànic quàntic. En investigacions anteriors realitzades per Sung i el grup de recerca amb el qual treballa, MIT Engineering Quantum Systems, es van proposar acobladors ajustables, que permeten als investigadors activar i desactivar les interaccions de dos qubits per controlar les seves operacions alhora que es conserven els fràgils qubits. La idea de l’acoblador ajustable va representar un avenç important i, per exemple, Google va citar com a clau per a la seva recent demostració de l’avantatge que té la informàtica quàntica sobre la informàtica clàssica.

Tot i així, abordar els mecanismes d’error és com pelar una ceba: pelar una capa revela la següent. En aquest cas, fins i tot quan s’utilitzaven acobladors ajustables, les portes de dos qubits encara eren propenses a errors derivats d’interaccions residuals no desitjades entre els dos qubits i entre els qubits i l’acoblador. Aquestes interaccions no desitjades generalment eren ignorades abans dels acobladors ajustables, ja que no destacaven, però ara sí. I, com que aquests errors residuals augmenten amb el nombre de qubits i portes, impedeixen la construcció de processadors quàntics a més gran escala. El Revisió física X El paper ofereix un nou enfocament per reduir aquests errors.

“Ara hem portat més enllà el concepte d’acoblament ajustable i hem demostrat una fidelitat gairebé del 99,9 per cent per als dos tipus principals de portes de dos qubits, conegudes com a portes Controlled-Z i portes iSWAP”, diu William D. Oliver, professor associat d’enginyeria elèctrica. i informàtica, becari del MIT Lincoln Laboratory, director del Centre d’Enginyeria Quàntica i director associat del Laboratori de Recerca d’Electrònica, seu del grup de Sistemes Quàntics d’Enginyeria. “Les portes de major fidelitat augmenten el nombre d’operacions que es poden realitzar i més operacions es tradueixen en la implementació d’algorismes més sofisticats a escales més grans”.

Per eliminar les interaccions qubit-qubit que provocaven errors, els investigadors van aprofitar nivells d’energia més alts de l’acoblador per cancel·lar les interaccions problemàtiques. En treballs anteriors, es van ignorar aquests nivells d’energia de l’acoblador, tot i que van induir interaccions de dos qubits no negligibles.

“Un millor control i disseny de l’acoblador és clau per adaptar la interacció qubit-qubit tal com desitgem. Això es pot realitzar mitjançant l’enginyeria de la dinàmica multinivell que existeix”, diu Sung.

La propera generació d’ordinadors quàntics es corregirà per errors, el que significa que s’afegiran qubits addicionals per millorar la robustesa de la computació quàntica.

“Els errors de Qubit es poden abordar activament afegint redundància”, diu Oliver, i assenyala, però, que aquest procés només funciona si les portes són prou bones, per sobre d’un cert llindar de fidelitat que depèn del protocol de correcció d’errors. “Els llindars més indulgents avui dia són al voltant del 99 per cent. Tanmateix, a la pràctica, es busca fidelitats de la porta que siguin molt superiors a aquest llindar per viure amb nivells raonables de redundància de maquinari.

Els dispositius utilitzats en la investigació, realitzats al laboratori Lincoln del MIT, van ser fonamentals per aconseguir els guanys demostrats de fidelitat en les operacions de dos qubits, diu Oliver.

“La fabricació de dispositius d’alta coherència és el primer pas per implementar un control d’alta fidelitat”, diu.

Sung diu que “les altes taxes d’error a les portes de dos qubits limiten significativament la capacitat del maquinari quàntic per executar aplicacions quàntiques que normalment són difícils de resoldre amb ordinadors clàssics, com ara la simulació de química quàntica i la resolució de problemes d’optimització”.

Fins a aquest punt, només s’han simulat petites molècules en ordinadors quàntics, simulacions que es poden realitzar fàcilment en ordinadors clàssics.

“En aquest sentit, el nostre nou enfocament per reduir els errors de la porta de dos qubits és oportú en el camp de la computació quàntica i ajuda a abordar un dels problemes de maquinari quàntics més crítics d’avui”, diu.