Hardware revolucionario trae un nuevo modelo de computación cuántica

Un enfoque teórico potencialmente innovador de hardware de computación cuántica evita gran parte de la complejidad problemática que se encuentra en las computadoras cuánticas actuales.

La estrategia implementa un algoritmo en interacciones cuánticas naturales para procesar una variedad de problemas del mundo real más rápido que las computadoras clásicas o las computadoras cuánticas convencionales basadas en puertas.

“Nuestro hallazgo elimina muchos requisitos desafiantes para el hardware cuántico”, dijo en un comunicado Nikolai Sinitsyn, físico teórico del Laboratorio Nacional de Los Álamos. Es coautor de un artículo sobre el enfoque en la revista Physical Review A. “Los sistemas naturales, como los giros electrónicos de los defectos en el diamante, tienen precisamente el tipo de interacciones necesarias para nuestro proceso de cálculo”.

Sinitsyn dijo que el equipo espera colaborar con físicos experimentales también en Los Álamos para demostrar su enfoque utilizando átomos ultrafríos. Las tecnologías modernas en átomos ultrafríos son lo suficientemente avanzadas para demostrar tales cálculos con alrededor de 40 a 60 qubits, dijo, lo que es suficiente para resolver muchos problemas que actualmente no son accesibles mediante el cálculo clásico o binario. Un qubit es la unidad básica de información cuántica, análoga a un bit en la computación clásica familiar.

En lugar de establecer un sistema complejo de puertas lógicas entre varios qubits que deben compartir el entrelazamiento cuántico, la nueva estrategia utiliza un campo magnético simple para rotar los qubits, como los espines de los electrones, en un sistema natural. La evolución precisa de los estados de espín es todo lo que se necesita para implementar el algoritmo. Sinitsyn dijo que el enfoque podría usarse para resolver muchos problemas prácticos propuestos para las computadoras cuánticas.

La computación cuántica sigue siendo un campo incipiente obstaculizado por la dificultad de conectar qubits en largas cadenas de puertas lógicas y mantener el entrelazamiento cuántico requerido para la computación. El entrelazamiento se rompe en un proceso conocido como decoherencia, ya que los qubits entrelazados comienzan a interactuar con el mundo fuera del sistema cuántico de la computadora, introduciendo errores. Eso sucede rápidamente, lo que limita el tiempo de cálculo. La verdadera corrección de errores aún no se ha implementado en el hardware cuántico.

El nuevo enfoque se basa en el entrelazamiento natural en lugar del inducido, por lo que requiere menos conexiones entre qubits. Eso reduce el impacto de la decoherencia. Por lo tanto, los qubits viven durante un tiempo relativamente largo, dijo Sinitsyn.

El artículo teórico del equipo de Los Alamos mostró cómo el enfoque podría resolver un problema de partición de números usando el algoritmo de Grover más rápido que las computadoras cuánticas existentes. Como uno de los algoritmos cuánticos más conocidos, permite búsquedas no estructuradas de grandes conjuntos de datos que engullen los recursos informáticos convencionales.

Por ejemplo, dijo Sinitsyn, el algoritmo de Grover se puede usar para repartir el tiempo de ejecución de las tareas en partes iguales entre dos computadoras, de modo que terminen al mismo tiempo, junto con otros trabajos prácticos. El algoritmo se adapta bien a las computadoras cuánticas idealizadas con corrección de errores, aunque es difícil de implementar en las máquinas actuales propensas a errores.

Las computadoras cuánticas están diseñadas para realizar cálculos mucho más rápido que cualquier dispositivo clásico, pero hasta ahora han sido extremadamente difíciles de realizar, dijo Sinitsyn. Una computadora cuántica convencional implementa circuitos cuánticos, secuencias de operaciones elementales con diferentes pares de qubits.

Los teóricos de Los Álamos propusieron una alternativa intrigante. “Nos dimos cuenta de que para muchos problemas computacionales famosos es suficiente tener un sistema cuántico con interacciones elementales, en el que solo un giro cuántico, realizable con dos qubits, interactúa con el resto de los qubits computacionales”, dijo Sinitsyn. “Entonces, un solo pulso magnético que actúa solo en el espín central implementa la parte más compleja del algoritmo cuántico de Grover”. Llamado el oráculo de Grover, esta operación cuántica apunta a la solución deseada.

“No se necesitan interacciones directas entre los qubits computacionales ni interacciones dependientes del tiempo con el espín central en el proceso”, dijo. Una vez que se establecen los acoplamientos estáticos entre el espín central y los qubits, todo el cálculo consiste solo en aplicar pulsos de campo externos simples dependientes del tiempo que rotan los espines, dijo.

Es importante destacar que el equipo demostró que tales operaciones se pueden hacer rápidamente. El equipo también descubrió que su enfoque está topológicamente protegido. Es decir, es robusto frente a muchos errores en la precisión de los campos de control y otros parámetros físicos incluso sin corrección de errores cuánticos.

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