La computación cuántica necesita la combinación adecuada de orden y caos

La investigación del clúster de excelencia Matter and Light for Quantum Computing (ML4Q) ha analizado las sofisticadas estructuras de hardware de las computadoras cuánticas para mostrar que algunas de ellas están operando peligrosamente cerca del umbral caótico. El desafío es caminar por una línea muy fina entre el desorden demasiado alto y demasiado bajo para proteger el funcionamiento del dispositivo. El estudio fue publicado hoy en Comunicaciones de la naturaleza.

En la carrera por lo que podría convertirse en una importante tecnología futura, los gigantes tecnológicos como IBM y Google están invirtiendo enormes recursos en el desarrollo de dispositivos de computación cuántica. Sin embargo, las plataformas actuales aún no están listas para aplicaciones prácticas. Quedan múltiples desafíos, entre los que se encuentra el control de los defectos de los dispositivos («caos»).

Es una antigua precaución de estabilidad: cuando grandes grupos de personas cruzan puentes, deben evitar caminar paso a paso para evitar que se formen ecos desestabilizadores. Tal vez al contrario de lo que se espera, el procesador superconductor transmon qubit, una plataforma de computación cuántica tecnológicamente avanzada favorecida por IBM, Google y otros consorcios, se basa en el mismo principio: la perturbación introducida intencionalmente evita la formación de fluctuaciones caóticas resonantes y, por lo tanto, se convierte en parte Producido principalmente por múltiples procesadores qubit.

Para entender este punto aparentemente paradójico, uno debe pensar en un qubit Transmon como una especie de péndulo. Qubits interconectados para formar una estructura aritmética que define un sistema de péndulos pareados, un sistema que, como los péndulos clásicos, puede excitarse fácilmente con grandes oscilaciones incontrolables con consecuencias desastrosas. En el mundo cuántico, estas oscilaciones incontrolables destruyen la información cuántica; La computadora se vuelve inutilizable. Se introdujo deliberadamente una «detonación» local de péndulos individuales para mantener alejados tales fenómenos.

“El chip de transmisión no solo tolera sino que en realidad requiere defectos aleatorios en el dispositivo de qubits a qubits”, explicó Christoph Burke, estudiante de doctorado de último año en el grupo de Simon Trebest en la Universidad de Colonia y primer autor del trabajo de investigación. «En nuestro estudio, solo preguntamos hasta qué punto se puede confiar en la práctica en el principio de ‘estabilidad por aleatoriedad’. Al aplicar los últimos diagnósticos de la teoría de sistemas perturbados, hemos podido encontrar que al menos algunas de las estructuras industriales seguidas están peligrosamente cerca de la inestabilidad».

Desde el punto de vista de la física cuántica básica, un procesador de transmisión es un sistema cuántico de múltiples cuerpos con niveles de energía cuánticos. Las últimas herramientas numéricas permiten que una persona calcule estos niveles discretos como una función de los parámetros del sistema relacionados, para obtener patrones que se asemejan superficialmente a una maraña de espaguetis cocidos. El análisis cuidadoso de dichas estructuras para los chips de Google e IBM con modelos del mundo real fue una de las muchas herramientas de diagnóstico aplicadas en el documento para trazar un diagrama de estabilidad de la computación cuántica de transmisión.

«Cuando comparamos los chips de Google con los de IBM, encontramos que en el último caso, los estados de qubit pueden estar tan acoplados que las operaciones de puerta controladas pueden verse comprometidas», dijo Simon Tribst, jefe del grupo de Física Computacional de Materia Condensada de la universidad. Colonia. Para asegurar las operaciones de puerta controladas, es necesario lograr un delicado equilibrio entre la estabilidad de la integración de qubits y la habilitación del acoplamiento de qubits. En la jerga de la preparación de la pasta, es necesario equipar a la perfección un procesador de computadora cuántica, mantener los estados de energía «al dente» y evitar que se enrede por la cocción excesiva.

El estudio de perturbaciones en transmisores se realizó como parte del Clúster de Excelencia ML4Q en un trabajo colaborativo entre los grupos de investigación de Simon Trebst y Alexander Altland en la Universidad de Colonia y el grupo de David DiVincenzo en la Universidad RWTH Aachen y Forschungszentrum Jülich. «Este proyecto de colaboración es muy singular», dice Alexander Altland del Instituto de Física Teórica de Colonia. «Nuestro conocimiento complementario de transmisores, simulaciones numéricas de sistemas complejos de múltiples cuerpos y caos cuántico fue un requisito previo ideal para comprender cómo la información cuántica está protegida contra perturbaciones. También indica cómo los conocimientos obtenidos para pequeños sistemas de referencia pueden transferirse a aplicaciones relacionadas métricas de diseño”.

David Devincenzo, director fundador del Instituto Jara de Información Cuántica de la Universidad RWTH de Aquisgrán, concluye: «Nuestro estudio demuestra lo importante que es para los desarrolladores de hardware integrar el modelado de hardware con una metodología estocástica cuántica moderna para incorporar el ‘diagnóstico del caos’ como parte de la rutina. del diseño del procesador qubit en una plataforma Super entrega.”