Computación
La Computación Cuántica un Paso Más Cerca de la Realidad al Aprovechar los Osciladores Armónicos
La carrera de la computación cuántica ha estado caliente durante unos años, con el descubrimiento de fármacos, la ciencia de materiales, la optimización, el aprendizaje automático y la criptografía siendo solo algunas de las áreas que serán revolucionadas por sus avances.Pero a pesar de todo el progreso, la construcción de computadoras cuánticas que resuelvan problemas del mundo real ha sido frenada por tres grandes desafíos:
- Estados cuánticos frágiles
- Escalabilidad mientras se mantiene el control
- Preservación de la coherencia
Ahora, un equipo en la Universidad de Tecnología de Chalmers en Suecia ha dado un paso significativo para abordar estos desafíos y acelerar el desarrollo de computadoras cuánticas prácticas. Han publicado recientemente un nuevo método en la revista Nature para manipular la información cuántica utilizando la no linealidad ajustable en circuitos superconductores. Esto permite realizar operaciones complejas en estados cuánticos multi-dimensionales más rápido y con mayor precisión que nunca antes.
Construyendo Computadoras Cuánticas Prácticas
En el corazón de la computación cuántica está el bit cuántico, o qubit, la unidad fundamental de la información cuántica. A diferencia de los bits clásicos, que son 0 o 1, los qubits pueden ser 0 y 1 y todo lo que está entre ellos. Los qubits también pueden estar entrelazados entre sí, lo que permite a las computadoras cuánticas realizar algunos cálculos mucho más rápido que las computadoras clásicas.
Sin embargo, alcanzar esta capacidad ha sido un desafío significativo. Uno de los problemas más grandes es la fragilidad de los estados cuánticos. Los qubits son sensibles a su entorno y pierden rápidamente sus propiedades cuánticas a través de la decoherencia, introduciendo errores en el cálculo cuántico y limitando la profundidad de los cálculos.
Otro problema importante es la escalabilidad. A medida que se agregan más qubits a un procesador cuántico, se vuelve más difícil controlar las interacciones entre ellos y implementar las puertas cuánticas. Esto se debe a que los sistemas de control y la comunicación entre qubits se vuelven más complejos.
Y hay un compromiso entre la coherencia y la controlabilidad. Las técnicas que hacen que los qubits sean más coherentes, como los códigos de corrección de errores, requieren más recursos y limitan algunas operaciones. Los sistemas que tienen más control sobre los qubits individuales, como los iones atrapados o los circuitos superconductores, son más ruidosos y más propensos a la decoherencia.
“Piensa en un qubit como una lámpara azul que, mecánicamente cuántico, puede estar encendida y apagada al mismo tiempo. En contraste, un sistema cuántico de variable continua es como un arcoíris infinito, que ofrece un gradiente suave de colores. Esto ilustra su capacidad para acceder a una gran cantidad de estados, lo que proporciona posibilidades mucho más ricas que los dos estados del qubit.”
– Axel Eriksson, investigador en tecnología cuántica en la Universidad de Tecnología de Chalmers y autor principal del estudio
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No linealidades ajustables en circuitos superconductores
El equipo de la Universidad de Chalmers, liderado por los doctores Axel M. Eriksson y Simone Gasparinetti, han resuelto estos problemas utilizando circuitos superconductores. Han desarrollado un componente especial llamado resonador Superconducting Nonlinear Asymmetric Inductive eLement (SNAIL).
Los SNAIL son elementos de circuito superconductor con una no linealidad fuerte y ajustable. Es un bucle superconductor con uniones de Josephson, barreras aislantes delgadas que permiten que los pares de Cooper (pares de electrones enlazados) tengan túneles a través. Al organizar las uniones de manera asimétrica, han creado un elemento de circuito con inductancia no lineal.
“Hemos creado un sistema que realiza operaciones complejas en un sistema cuántico multi-estado más rápido que nunca antes.”
– Autor senior Dr. Simone Gasparinetti, líder del 202Q-lab en la Universidad de Chalmers
La clave de lo que hizo el equipo de Chalmers fue colocar un resonador SNAIL dentro de una cavidad de microondas superconductora, que es un modo bosónico para codificar la información cuántica. Aplicaron pulsos de microondas a este sistema híbrido y activaron y desactivaron la no linealidad en el SNAIL para realizar todo tipo de operaciones cuánticas rápidas y precisas.
Computación cuántica de variable continua
Una de las cosas únicas sobre el enfoque del equipo de Chalmers es que va más allá del paradigma del qubit y utiliza estados cuánticos de variable continua (CV).En un sistema cuántico CV, la información se codifica en la amplitud y la fase de las cuadraturas de un oscilador armónico, como un campo de cavidad de microondas. Esas cuadraturas pueden tomar un rango continuo de valores, no solo 0 y 1 como los qubits.Según el autor senior Dr. Simone Gasparinetti, líder del 202Q-lab en la Universidad de Chalmers:
“Hemos creado un sistema que permite operaciones extremadamente complejas en un sistema cuántico multi-estado, a una velocidad sin precedentes.”
El enfoque CV tiene ventajas sobre la computación cuántica de variable discreta. (i) Uno, un solo modo CV puede codificar múltiples qubits de información, lo que significa menos hardware para la computación cuántica tolerante a fallos. (ii) Dos, la conciencia de los estados CV permite códigos de corrección de errores mejores, que son necesarios para la computación cuántica con ruido y decoherencia.
Sin embargo, un gran problema en la computación cuántica CV es las operaciones no gaussianas, que son necesarias para la computación cuántica universal. Las operaciones gaussianas como el desplazamiento y la compresión del estado del oscilador se pueden realizar con elementos ópticos lineales o circuitos de microondas, pero eso no es suficiente para la aceleración cuántica porque puede ser simulada clásicamente.
Las operaciones no gaussianas requieren interacciones no lineales, que son mucho más difíciles de hacer y controlar. Los intentos anteriores de combinar modos CV con elementos no lineales han sido frustrados por el efecto Kerr, que arruina la información cuántica y reduce la fidelidad de la operación.
El equipo de Chalmers ha resuelto esto mediante la ingeniería de la no linealidad dentro del resonador SNAIL. Operan el SNAIL en un punto “libre de Kerr”, donde la no linealidad no deseada de Kerr se suprime, y la no linealidad de tercer orden necesaria para las operaciones no gaussianas se conserva.
“Nuestra comunidad ha intentado mantener los elementos superconductores alejados de los osciladores cuánticos, no para desordenar los frágiles estados cuánticos. En este trabajo, hemos desafiado este paradigma. Al incorporar un dispositivo de control en el corazón del oscilador, pudimos evitar desordenar los muchos estados cuánticos mientras controlábamos y manipulábamos. Como resultado, demostramos un conjunto novel de operaciones de puerta realizadas a muy alta velocidad.”
– Simone Gasparinetti
Conjunto de puertas universales
Para demostrar lo que pueden hacer, han creado un conjunto de puertas universales en su plataforma de resonador SNAIL. Eso incluye puertas gaussianas como el desplazamiento y la compresión y una puerta de fase cúbica, que es no gaussiana.
Las puertas gaussianas se hicieron aplicando pulsos de microondas a frecuencias específicas al circuito SNAIL. La conducción a la frecuencia fundamental da el desplazamiento, y la conducción a dos veces la frecuencia fundamental da la compresión. Eso es para preparar y manipular estados coherentes y comprimidos, que son los bloques para el procesamiento de la información cuántica CV.
La puerta de fase cúbica se hizo combinando una interacción de “tricomprimiendo” (conducción a tres veces la frecuencia fundamental) con conducciones a frecuencias más bajas. Eso aplica un desplazamiento de fase no lineal al estado del oscilador que es proporcional al cubo de la amplitud, de ahí el nombre “fase cúbica”.
La puerta de fase cúbica es necesaria para la computación cuántica CV universal porque crea estados no clásicos altamente como los estados Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP), que son para la corrección de errores cuánticos tolerante a fallos. La puerta de fase cúbica con puertas gaussianas crea un estado cuántico no gaussiano determinista llamado “estado de fase cúbica”.
Las puertas hechas por el equipo de Chalmers se hicieron con pulsos tan cortos como decenas de nanosegundos. Eso es 10-100 veces más rápido que las implementaciones anteriores con acoplamientos dispersivos qubit-oscilador. Eso se debe a la fuerte no linealidad en el resonador SNAIL.
Preparación determinista del estado de fase cúbica
Otro ejemplo es el equipo de Chalmers utilizando su conjunto de puertas universales para hacer un estado cuántico no clásico altamente llamado estado de fase cúbica. Los estados de fase cúbica son necesarios para la corrección de errores cuánticos, la metrología cuántica y la computación cuántica basada en mediciones CV.
La preparación del estado de fase cúbica se hizo aplicando puertas al estado de vacío (fundamental) del resonador SNAIL. Primero, se aplicó una puerta de compresión de 20 ns para hacer un estado de vacío comprimido. Luego, se aplicó una puerta de fase cúbica de 40 ns a ese estado comprimido, y voilà, un estado de fase cúbica con una cubicidad de 0,11.
El estado se caracterizó con tomografía de Wigner, que crea una distribución del espacio de fases del estado cuántico. La función de Wigner fue fuertemente negativa, lo que es no clásico y no se puede ver en ningún estado del oscilador clásico.
La fidelidad del estado de fase cúbica con respecto al estado objetivo fue del 92%. Demostraron que la cubicidad del estado se puede aumentar simplemente extendiendo la duración de la puerta de fase cúbica. Eso es mucho mejor que los métodos de preparación de estado anteriores, que requerían una reoptimización completa de la secuencia de control para cada valor de cubicidad.
Espacio para la mejora y el trabajo futuro
Aunque lo que ha logrado el equipo de Chalmers ya es admirable, todavía hay más por hacer:
Resonador SNAIL
Una limitación de las operaciones cuánticas es el tiempo de coherencia del resonador SNAIL. Tienen tiempos de coherencia de unos pocos microsegundos, lo que es suficiente por ahora, pero tiempos de coherencia más largos permitirán circuitos cuánticos más complejos y profundos. Optimizar los parámetros del circuito SNAIL para reducir el ruido de flujo y el blindaje y la filtración del entorno de microondas son formas de mejorar la coherencia.
Esto incluye:
- Tiempo de coherencia del resonador SNAIL (unos pocos microsegundos son suficientes por ahora, pero más largos permitirán circuitos más complejos)
- Optimizar los parámetros del circuito SNAIL para reducir el ruido de flujo
- Blindaje y filtración del entorno de microondas
Escalabilidad
Otra área para mejorar es la escalabilidad. El experimento se realizó con un SNAIL, pero una computadora cuántica a gran escala necesita múltiples SNAIL. Para escalar, se podría utilizar múltiples SNAIL, cada uno conectado a su propia cavidad de microondas. Esta configuración permite la creación de puertas multi-qubit y estados entrelazados diseñando el acoplamiento entre las cavidades. Sin embargo, eso requiere control sobre la fabricación y el ajuste de los SNAIL para ser homogéneos y reproducibles.
- Escalabilidad (un SNAIL ahora, pero una computadora cuántica a gran escala necesita múltiples)
- Un conjunto de SNAIL, cada uno con su propia cavidad de microondas
- Puertas multi-qubit y estados entrelazados en el conjunto mediante el acoplamiento entre las cavidades
- Control sobre la fabricación y el ajuste de los SNAIL para ser homogéneos y reproducibles
Además de escalar el número de modos CV, también necesitamos escalar el número de fotones en cada modo. La no linealidad del resonador SNAIL se desvía de su comportamiento ideal a números de fotones más altos, lo que limita el tamaño del espacio de Hilbert computacional.
Una forma de solucionar esto es utilizar un diseño multi-SNAIL en el que la no linealidad de cada SNAIL se ingeniera para cancelar a órdenes más altas mientras se conservan las interacciones de orden más bajo.
Otras mejoras plausibles incluyen:
- Más modos CV
- Más fotones en cada modo
- La no linealidad en el resonador SNAIL hace que se desvíe del comportamiento ideal a números de fotones más altos
- Limita el tamaño del espacio de Hilbert computacional
- Diseño multi-SNAIL: la no linealidad de cada SNAIL se cancela a órdenes más altas mientras se conservan las interacciones de orden más bajo
Mirando hacia adelante, el equipo de Chalmers quiere integrar su plataforma de resonador SNAIL con otras arquitecturas de computación cuántica para hacer sistemas híbridos. Por ejemplo, las interacciones mediadas por SNAIL se pueden utilizar para entrelazar qubits superconductores y modos CV para hacer estados multi-qubit complejos. Las puertas CV rápidas y eficientes en este trabajo se pueden utilizar para la corrección de errores cuánticos en qubits codificados, y eso hará que los procesadores cuánticos sean más robustos y escalables.
Una perspectiva emocionante para esperar es integrar la plataforma de resonador SNAIL con sistemas cuánticos ópticos. Los circuitos superconductores son buenos para la computación cuántica, que operan a frecuencias de microondas y temperaturas criogénicas, son ideales para la computación cuántica. En contraste, los sistemas cuánticos ópticos, que funcionan a temperatura ambiente, son ideales para la comunicación cuántica de larga distancia. Al desarrollar un convertidor de frecuencia cuántica, podemos combinar lo mejor de ambos mundos para crear una computadora cuántica escalable y en red.
Resumen
Lo que ha logrado el equipo de Chalmers es un avance importante para las computadoras cuánticas prácticas. Han utilizado la no linealidad ajustable en circuitos superconductores para desarrollar una computadora cuántica eficiente en hardware y controlable capaz de realizar operaciones complejas en estados cuánticos multi-dimensionales rápidamente y con precisión.
Esto representa un nuevo paradigma en la computación cuántica CV-NISQ. Los resonadores SNAIL pueden resolver problemas difíciles en la química cuántica, la optimización y el aprendizaje automático. A medida que esta tecnología madura y se escala, abrirá aplicaciones que no son posibles con las computadoras clásicas.
Sin embargo, construir computadoras cuánticas a gran escala y tolerantes a fallos todavía presenta desafíos sustanciales, incluyendo el tiempo de coherencia de los circuitos superconductores, el número de qubits y modos CV, y las interfaces entre las plataformas de computación cuántica.
A pesar de estos desafíos, la computación cuántica como ciencia aplicada ha avanzado mucho, y el equipo de Chalmers ha jugado un papel instrumental en empujar sus barreras. Han agregado a la caja de herramientas de la computación cuántica y han mostrado nuevas formas de utilizar la mecánica cuántica. Ahora, estamos un paso más cerca de la computación cuántica accesible.
A medida que la teoría y los experimentos avanzan más rápido, el futuro de la computación cuántica nunca ha parecido mejor. Las computadoras cuánticas proporcionarán aceleraciones exponenciales para una amplia gama de tareas computacionales en campos como el descubrimiento de fármacos, el diseño de materiales, la criptografía y la inteligencia artificial. Junto con los avances en tecnologías como la IA, estos desarrollos nos aseguran que el mundo está al borde de cambios transformadores que son difíciles de imaginar completamente.
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