Algoritmo pionero para el cálculo preciso de Qubit

Los científicos desarrollaron el algoritmo ACE para estudiar las interacciones de los qubits y los cambios en su estado cuántico, simplificando el cálculo de la dinámica cuántica y allanando el camino para los avances en telefonía y computación cuánticas.

La computación cuántica práctica está un paso más cerca.

Los investigadores introdujeron un nuevo algoritmo llamado Compresión automatizada de entornos arbitrarios (ACE) diseñado para estudiar las interacciones de los qubits con su entorno circundante y los cambios posteriores en su estado cuántico. Al simplificar el cálculo de la dinámica cuántica, este algoritmo, basado en la interpretación de Feynman de la mecánica cuántica, ofrece nuevas formas de comprender y aprovechar los sistemas cuánticos. Las aplicaciones potenciales incluyen avances en telefonía y computación cuánticas, proporcionando predicciones más precisas sobre la coherencia y el entrelazamiento cuánticos.

Las computadoras convencionales usan qubits, representados por ceros y unos, para transmitir información, mientras que las computadoras cuánticas usan bits cuánticos (qubits) en su lugar. Al igual que los bits, los qubits tienen dos estados o valores principales: 0 y 1. Sin embargo, a diferencia de un bit, un qubit puede existir en ambos estados al mismo tiempo.

Si bien esto puede parecer una ironía desconcertante, se puede explicar con una simple analogía con una moneda. Un bit clásico se puede representar como una moneda extendida con cara o cruz (uno o cero) mirando hacia arriba, mientras que un qubit se puede considerar como una moneda giratoria, que también tiene cara y cruz, pero ya sea cara o cruz puede determinarse tan pronto como deje de girar, es decir, pierda su estado original.

Cuando una moneda deja de girar, puede servir como analogía para una analogía cuántica, en la que se determina uno de los dos estados de un qubit. en Estadísticas cuantitativas, se deben vincular diferentes qubits, por ejemplo, los estados 0(1) de un qubit deben estar asociados de forma única con los estados 0(1) de otro qubit. Cuando los estados cuánticos de dos o más objetos se interconectan, se denomina entrelazamiento cuántico.

Desafío de entrelazamiento cuántico

La principal dificultad de la computación cuántica es que los cúbits están rodeados por un entorno e interactúan con él. Esta interacción puede hacer que el entrelazamiento cuántico de los qubits se deteriore, haciendo que se separen unos de otros.

La similitud de dos monedas puede ayudar a entender este concepto. Si dos monedas idénticas se hacen girar a la vez y luego se apagan poco después, pueden terminar con el mismo lado hacia arriba, ya sea cara o cruz. Esta sincronización entre monedas se puede comparar con el entrelazamiento cuántico. Sin embargo, si las monedas siguen girando durante un período de tiempo más largo, eventualmente perderán la sincronización y ya no terminarán con el mismo lado (cara o cruz) hacia arriba.

La pérdida de sincronización ocurre porque las monedas al girar pierden energía gradualmente, principalmente debido a la fricción con la mesa, y cada moneda lo hace de una manera única. En el ámbito cuántico, la fricción, o la pérdida de energía debido a la interacción con el entorno, finalmente conduce a la decoherencia cuántica, lo que significa una pérdida de sincronización entre los cúbits. Esto da como resultado el desfase de los qubits, en el que la fase del estado cuántico (representado por el ángulo de rotación de la moneda) cambia aleatoriamente con el tiempo, lo que provoca una pérdida de información cuántica y hace imposible la computación cuántica.

La representación efectiva se determina de forma totalmente automática y no se basa en aproximaciones ni suposiciones preconcebidas. Crédito: Alexei Vagov

Coherencia cuántica y dinámica

El principal desafío al que se enfrentan muchos investigadores hoy en día es mantener la coherencia cuántica durante períodos más largos. Esto se puede lograr describiendo con precisión la evolución de un estado cuántico a lo largo del tiempo, también conocida como dinámica cuántica.

Científicos del MIEM HSE Center for Quantum Metamaterials, en colaboración con colegas de Alemania y Reino Unido, han propuesto un algoritmo llamado Automated Compression of Arbitrary Environments (ACE) como solución para estudiar la interacción de los qubits con su entorno y los cambios resultantes. en su estado cuántico a lo largo del tiempo.

Una mirada a la dinámica cuántica

“La cantidad casi infinita de modos de vibración o grados de libertad en el entorno hace que calcular la dinámica cuántica sea particularmente difícil. De hecho, esta tarea implica calcular la dinámica de un solo sistema cuántico mientras está rodeado por billones de otros. El cálculo directo es imposible en este caso, ya que ninguna computadora puede manejarlo.

Sin embargo, no todos los cambios en el entorno tienen la misma importancia: aquellos que ocurren a una distancia suficiente de nuestro sistema cuántico no pueden afectar su dinámica de manera importante. La división en grados de libertad ambientales ‘relevantes’ e ‘irrelevantes’ se encuentra en la base de nuestro método”, dice Alexei Vagof, coautor del artículo y director del MIEM HSE Center for Quantitative Metamaterials.

Interpretación de Feynman y el algoritmo ACE

De acuerdo con la interpretación de la mecánica cuántica propuesta por el famoso físico estadounidense Richard Feynman, calcular el estado cuántico de un sistema implica calcular la suma de todas las formas posibles en que se puede lograr el estado. Esta explicación asume que una partícula cuántica (el sistema) puede moverse en todas las direcciones posibles, incluso hacia adelante o hacia atrás, hacia la derecha o hacia la izquierda, e incluso hacia atrás en el tiempo. Las probabilidades cuánticas de todas estas trayectorias deben sumarse para calcular el estado final de la partícula.

El problema es que hay muchas trayectorias posibles incluso para una sola partícula, sin mencionar todo el entorno. Nuestro algoritmo permite considerar solo las rutas que contribuyen significativamente a la dinámica de los qubits y elimina las que son insignificantes. En nuestro método, la evolución del qubit y su entorno se captura mediante tensores, que son matrices o tablas de números que describen el estado de todo el sistema en diferentes momentos. Luego seleccionamos solo aquellas partes de los tensores que son relevantes para la dinámica del sistema”, explica Alexey Vagoff.

Conclusión: Implicaciones del algoritmo ACE

Los investigadores afirman que el algoritmo de compresión automatizado para entornos arbitrarios está disponible públicamente y se implementa como código de computadora. Según los autores, abre posibilidades completamente nuevas para el cálculo preciso de la dinámica de múltiples sistemas cuánticos. En particular, este método permite estimar el tiempo hasta el enredo Fotón Los pares en las líneas de telefonía cuántica se desenredarán, que es lo lejos que puede teletransportarse una partícula cuántica, o cuánto tiempo pueden tardar los qubits de una computadora cuántica en perder coherencia.

Referencia: “Simulación de sistemas cuánticos abiertos mediante compresión automatizada de entornos aleatorios” por Moritz Sigorek, Michael Kozacchi, Aleksey Fagov, Vollrath-Martin Akst, Brendon W. Lovett, Jonathan Keeling y Eric M. Guger, 24 de marzo de 2022, disponible aquí. física de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41567-022-01544-9