Los investigadores han descubierto que los comportamientos aleatorios complejos surgen naturalmente incluso de la dinámica más simple y caótica en un simulador cuántico. Esta ilustración se acerca a un conjunto complejo de estados dentro de un sistema cuántico aparentemente fluido. Crédito: Adam Shaw/Caltech
La aleatoriedad en las máquinas cuánticas ayuda a confirmar su precisión.
Las computadoras cuánticas y otros sistemas cuánticos experimentan que la información se dispersa y se mezcla rápidamente, de forma similar a como se mezclan los datos en un juego de Boggle. Esto ocurre cuando las unidades básicas del sistema, conocidas como qubits (que son similares a los bits de computadora clásicos pero son de naturaleza cuántica), se enredan entre sí. El entrelazamiento es un fenómeno de la física cuántica en el que las partículas se conectan y permanecen conectadas, incluso si no están en contacto directo.
Estos sistemas cuánticos imitan los procesos naturales y ofrecen a los científicos la oportunidad de crear materiales innovadores y únicos con aplicaciones potenciales en la medicina, la electrónica informática y otras industrias. Aunque las computadoras cuánticas a gran escala todavía están lejos en el futuro, los investigadores están realizando experimentos con simuladores cuánticos, que están especialmente diseñados para resolver problemas específicos, como la simulación eficiente de superconductores de alta temperatura y otros materiales cuánticos. Estas máquinas también tienen el potencial de resolver problemas de optimización complejos, como la prevención de colisiones en el enrutamiento de vehículos autónomos.
Un desafío en el uso de estas máquinas cuánticas es que son muy propensas a errores, mucho más que las computadoras clásicas. También es mucho más difícil detectar errores en estos sistemas más nuevos. “La mayoría de las veces, las computadoras cuánticas cometen muchos errores”, dice Adam Shaw, estudiante graduado en física en Caltech y uno de los dos autores principales de un estudio en la revista Nature sobre un nuevo método para verificar la precisión de los dispositivos cuánticos. . . “No se puede abrir la máquina y mirar dentro, y hay una enorme cantidad de información almacenada, demasiada para que una computadora clásica la tome en cuenta y la verifique”.
En el estudio de Nature, Shaw y el coautor Joonhee Choi, ex becario postdoctoral de Caltech que ahora es profesor en la Universidad de Stanford, demuestran una nueva forma de medir la precisión de un dispositivo cuántico, también conocida como fidelidad. Ambos investigadores trabajan en el laboratorio de Manuel Endres, profesor de física en Caltech y becario de Rosenberg. La clave de su nueva estrategia es la aleatoriedad. Los científicos han descubierto y caracterizado un nuevo tipo de aleatoriedad relacionado con la forma en que se codifica la información en los sistemas cuánticos. Pero incluso si el comportamiento cuántico es aleatorio, se pueden identificar patrones estadísticos universales en el ruido.
“Estamos interesados en comprender mejor lo que sucede cuando se codifica la información”, dice Choi. “Y al analizar este comportamiento con estadísticas, podemos buscar desviaciones en los patrones que indiquen que se han cometido errores”.
“No solo queremos un resultado de nuestras máquinas cuánticas; queremos un resultado verificado”, dice Endres. “Debido al caos cuántico, un solo error microscópico conduce a un resultado macroscópico completamente diferente, bastante similar al efecto mariposa. Esto nos permite detectar el error de manera eficiente”.
Los investigadores demostraron su protocolo en un simulador cuántico con hasta 25 qubits. Para averiguar si se produjeron errores, midieron el comportamiento del sistema hasta el nivel de un solo qubit miles de veces. Al observar cómo evolucionaron los qubits con el tiempo, los investigadores pudieron identificar patrones en un comportamiento aparentemente aleatorio y buscar desviaciones de lo que esperaban. En última instancia, al encontrar errores, los investigadores sabrán cómo y cuándo corregirlos.
“Podemos rastrear cómo se mueve la información en un sistema con una resolución de un solo qubit”, dice Choi. “La razón por la que podemos hacer esto es que también descubrimos que esta aleatoriedad, que ocurre naturalmente, se representa al nivel de un solo qubit. Puedes ver el patrón aleatorio universal en las subpartes del sistema”.
Shaw compara su trabajo con la medición de la agitación de las olas en un lago. “Si hay viento, habrá picos y valles en el lago, y si bien puede parecer aleatorio, puede identificar un patrón de aleatoriedad y rastrear cómo el viento afecta el agua. Podríamos saber si el viento cambia observando cómo cambia el patrón. Nuestro nuevo método también nos permite buscar cambios en el sistema cuántico que indiquen errores”.
Referencia: «Preparación de estados aleatorios y comparación con el caos cuántico de muchos cuerpos» por Joonhee Choi, Adam L. Shaw, Ivaylo S. Madjarov, Xin Xie, Ran Finkelstein, Jacob P. Covey, Jordan S. Cotler, Daniel K. Mark, Hsin-Yuan Huang, Anant Kale, Hannes Pichler, Fernando GSL Brandão, Soonwon Choi y Manuel Endres, 18 de enero de 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-05442-1
El estudio fue financiado en parte por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, la Oficina de Investigación del Ejército y el Departamento de Energía.
