Un artículo colaborativo publicado en Nature Physics por autores de IBM®, la Universidad de Colonia y Harvard destaca el valor de los protocolos basados en mediciones en la investigación de la computación cuántica.
Por lo general, cuando queremos simular un estado cuántico mediante circuitos cuánticos, preparamos un estado inicial y utilizamos operadores unitarios (puertas lógicas cuánticas) para evolucionarlo a lo largo del tiempo. Una vez que llegamos al final del circuito, tomamos medidas que convierten el estado cuántico en uno clásico, lo que nos proporciona la información que buscamos obtener de nuestra simulación. O al menos esa es una forma de hacerlo.
Cada vez más investigadores están investigando algoritmos cuánticos que utilizan el acto de medición en sí no solo para extraer información de los estados cuánticos, sino también para dirigirlos y manipularlos a medida que evolucionan en el tiempo. Esto puede ser particularmente útil cuando se trata de generar entrelazamiento, una tarea esencial en el procesamiento de información cuántica. La generación de entrelazamiento en circuitos puramente unitarios a menudo conduce a circuitos de alta profundidad que están más allá de las capacidades del hardware actual. Los circuitos cuánticos que incorporan medición (por ejemplo, circuitos dinámicos que nos permiten realizar operaciones lógicas en nuestros circuitos basados en mediciones en la mitad del circuito) pueden ser mucho más eficientes.
En publicaciones recientes del blog, hemos visto circuitos dinámicos que permiten métodos eficientes basados en mediciones para entrelazar cúbits desconectados en un procesador cuántico superconductor , e incluso para entrelazar cúbits en procesadores separados . Un artículo publicado en Nature Physics destaca más de las muchas capacidades que pueden permitir los protocolos cuánticos basados en mediciones, lo que subraya su potencial para respaldar el progreso en campos como la física de la materia condensada y la corrección de errores cuánticos.
En ese artículo, investigadores de IBM, la Universidad de Colonia y Harvard demuestran un protocolo eficiente basado en mediciones para generar un estado ordenado de largo alcance simple, es decir, un estado cuántico en el que los entrelazamientos de largo alcance se mantienen a lo largo de distancias significativas dentro del sistema. Fundamentalmente, pudimos lograr esto a escala de servicios públicos, utilizando hasta 125 cúbits en un procesador IBM Quantum™ Eagle para generar un orden de largo alcance en hasta 54 cúbits.
Al ajustar las tasas de error coherentes e incoherentes en su circuito cuántico, demostramos que es posible mantener este orden de largo alcance en dos dimensiones espaciales hasta un punto crítico conocido como la transición de Nishimori. Luego, utilizamos un decodificador clásico para determinar la firma del estado ordenado de largo alcance. Antes de este experimento, no se sabía si era realmente posible crear y validar este tipo de orden de largo alcance en un circuito cuántico dada la presencia de un error de medición.
A continuación, analizaremos en profundidad el experimento y mostraremos cómo los protocolos que desarrollamos junto con nuestros colaboradores de la Universidad de Colonia y Harvard podrían mejorar significativamente las simulaciones cuánticas de diferentes fases de la materia relevantes para la física de la materia condensada y otros campos de investigación de la física. También analizaremos cómo estos nuevos métodos ayudan a revelar información fascinante sobre la naturaleza de la información cuántica en sí.
¿Está interesado en realizar una transición de fase de Nishimori por su cuenta? Recree el experimento con un procesador IBM Quantum siguiendo nuestro tutorial en IBM Quantum Learning.
Descubriendo el estado GHZ y la transición de Nishimori en circuitos cuánticos superconductores
Realizamos nuestros experimentos de simulación en ibm_sherbrookeun procesador IBM Quantum Eagle de 127 qubits. Para crear el estado GHZ con su protocolo basado en mediciones, comenzamos dividiendo los qubits del procesador en dos categorías: los qubits del sistema que conformarán el estado GHZ y los qubits auxiliares que sirven para preparar y medir el estado GHZ. En la imagen a continuación, puede ver cómo dividimos los qubits del procesador para nuestra simulación más grande, que ejecutamos en 125 de los ibm_sherbrooke127 qubits de :
Como puede ver, los cúbits del sistema que representarán el estado GHZ están coloreados en negro, mientras que los cúbits auxiliares están coloreados en gris. Los cúbits auxiliares grises se colocan entre cada uno de los cúbits negros del sistema para que no haya dos cúbits del sistema directamente adyacentes. También notará algunos códigos de colores en las conexiones físicas o «enlaces» que conectan cada cúbit con sus vecinos más cercanos. Los enlaces se dividen en tres grupos: azul, rojo y gris. Este detalle será importante para ejecutar el protocolo del circuito.
El protocolo comienza con todos los cúbits inicializados en el estado fundamental. En un mundo perfecto y sin errores, podríamos crear un estado GHZ sin utilizar ningún cúbit auxiliar ni mediciones intermedias. Simplemente inicializaríamos los cúbits del sistema, utilizaríamos puertas de entrelazamiento puramente unitarias de dos cúbits para entrelazar cada par de cúbits vecinos y mediríamos los cúbits al final de este circuito simple para revelar el estado ordenado de largo alcance deseado.
Por supuesto, no vivimos en un mundo libre de errores. Los errores de compuerta, los errores de medición y otros tipos de errores inevitablemente hacen que el sistema pierda el orden de largo alcance o nos impiden determinar si se ha alcanzado el orden de largo alcance. Ahí es donde los qubits auxiliares desempeñan un papel. Para entender mejor su propósito, acerquémonos a una pequeña subsección de los qubits del procesador: dos qubits del sistema conectados por un qubit auxiliar entre ellos:
Comenzamos el protocolo aplicando puertas Hadamard independientes a cada cúbit individual, preparando los tres cúbits en sus propios estados de superposición separados. Nuestro objetivo es entrelazar los dos cúbits del sistema, lo que hacemos aplicando dos puertas de cúbit. Sin embargo, en los procesadores cuánticos superconductores, solo podemos aplicar dos puertas de cúbit a los cúbits que están directamente adyacentes entre sí, y los cúbits del sistema están separados por el cúbit auxiliar que se encuentra entre ellos. Para conectar los dos cúbits del sistema, necesitaremos realizar un simple experimento de teletransportación cuántica.
En primer lugar, entrelazamos cada uno de los cúbits del sistema con el cúbit auxiliar mediante puertas unitarias locales de dos cúbits. En este punto, los tres cúbits están muy entrelazados, pero solo necesitamos que los dos cúbits del sistema estén entrelazados. Por lo tanto, aplicamos otra puerta de Hadamard al cúbit auxiliar, que, tras la medición, crea un par de Bell con el máximo entrelazamiento entre los dos cúbits del sistema adyacentes.
Podemos extender este pequeño ejemplo de tres cúbits a todos los cúbits del sistema, realizando las mismas operaciones de entrelazamiento en todos los cúbits del sistema y los cúbits auxiliares que se encuentran entre ellos. Más específicamente, primero aplicamos nuestras puertas de dos cúbits simultáneamente a todos los cúbits conectados por enlaces de color gris, luego a todos los cúbits conectados por enlaces de color rojo y, finalmente, a todos los cúbits conectados por enlaces de color azul. Este método nos permite mantener una profundidad constante en el circuito y evitar introducir una complejidad innecesaria. También crea un estado GHZ macroscópico en todos los cúbits del sistema con los cúbits auxiliares que sirven como puentes para el entrelazamiento.
Esto plantea dos preguntas importantes:
- ¿Cómo verificamos realmente que hemos realizado la transición del desorden al orden de largo alcance?
- ¿Cómo podemos observar la naturaleza de esta transición de fase y determinar si sigue la famosa línea de Nishimori?
Para responder a la primera pregunta, todo lo que tenemos que hacer es medir proyectivamente todos los cúbits auxiliares y alimentar los resultados de las mediciones a una función en una computadora clásica que nos permita decodificar el estado de los cúbits restantes del sistema. Este decodificador clásico nos ayuda a verificar que los cúbits del sistema han alcanzado el orden de largo alcance del estado GHZ.
Para investigar la naturaleza de esta transición de fase de desorden a orden, podemos inyectar manualmente errores en el circuito, tanto los errores coherentes que distorsionan las interacciones entre qubits como los errores incoherentes que corrompen el canal de comunicación entre el ordenador cuántico y el decodificador clásico. Esto nos da la capacidad de observar cómo evoluciona el estado cuántico a medida que aumenta o disminuye la probabilidad de desorden. El comportamiento macroscópico de todas las correlaciones por pares en el sistema, al inyectar ambos tipos de errores, revela que nuestro estado cuántico sigue el mismo camino que la línea de Nishimori:
Este trabajo demuestra no solo que es posible crear y manipular la transición de fase entre el orden y el orden de largo alcance en una computadora cuántica, sino que también demuestra nuestra capacidad para hacerlo a escala, dado que nuestro experimento más grande simula hasta 54 giros en 125 cúbits. Nuestro trabajo teórico indica que este protocolo podría incluso escalarse hasta 1121 cúbits utilizando un dispositivo más grande como el IBM Quantum Condor.
Cómo un experimento de física de materia condensada revela información sobre la naturaleza de la información cuántica
En esencia, nuestro experimento de simulación es un ejemplo poderoso del impacto que pueden tener las computadoras cuánticas en la investigación de la física de la materia condensada. Este trabajo es el primero en demostrar que podemos manipular el error en el hardware cuántico para hacer que un sistema cuántico entre y salga del orden de largo alcance de manera controlada.
Dado que nuestras simulaciones se refieren al modelo de enlace aleatorio de Ising (un modelo importante de magnetismo), esto podría tener implicaciones importantes para nuestra comprensión de los materiales magnéticos del mundo real, revelando conocimientos sobre cómo es posible que mantengan sus efectos magnéticos a pesar de la presencia de imperfecciones en su estructura atómica.
El magnetismo es un campo importante de la física porque los imanes están muy extendidos en la tecnología. Los utilizamos en teléfonos inteligentes, discos duros y resonancias magnéticas médicas, por nombrar solo algunos ejemplos, y una mejor comprensión del magnetismo es esencial para el progreso en el procesamiento de semiconductores que utilizamos para crear chips de computadora.
Sin embargo, este trabajo también puede tener una relevancia más fundamental para nuestra comprensión de la información cuántica. A principios de la década de 2000 , los teóricos de Caltech establecieron una conexión profunda entre el modelo de enlace aleatorio de Ising y los códigos de corrección de errores cuánticos. En ese momento, la cuestión de si alguna vez se podría lograr una corrección práctica de errores cuánticos era mucho más controvertida que hoy.
Al relacionar los errores cuánticos con los espines y sus interacciones en el modelo de enlace aleatorio de Ising, los investigadores de Caltech demostraron rigurosamente que pequeñas cantidades de errores cuánticos no son perjudiciales para la información cuántica, de la misma manera que niveles suficientemente bajos de desorden magnético no arruinan de inmediato el ordenamiento magnético de largo alcance. Mediante esta conexión, establecieron que las computadoras cuánticas pueden tolerar una cierta cantidad de error.
Otra conclusión interesante es el hecho simple, aunque quizá contraintuitivo, de que la información cuántica no siempre es exclusivamente de naturaleza cuántica; puede coexistir con la información clásica. En nuestros experimentos, utilizamos un decodificador clásico para tomar información de los cúbits auxiliares proyectados de manera clásica y luego usamos esa información clásica para recuperar información cuántica que anteriormente estaba oculta. Esto demuestra que, al menos en algunos casos, no podemos procesar la información cuántica con éxito sin procesar también la información clásica.
Esto va en contra de algunas de las intuiciones básicas que desarrollamos como estudiantes de ciencia de la información cuántica cuando aprendemos sobre conceptos fundamentales como el efecto del observador, que nos dice que el acto de observar o medir un estado cuántico colapsa la información cuántica del estado en información clásica. A menudo vemos este concepto ilustrado a través del famoso experimento mental del gato de Schrödinger, donde un gato atrapado en una caja con un isótopo radiactivo existe en un estado de superposición de «vivo» y «muerto» hasta que un observador mira dentro de la caja. El acto de observación obliga al estado del gato a establecerse en una de las dos opciones clásicas.
Sin embargo, la naturaleza es un poco más complicada. Esta investigación muestra que, en el mundo real, cuando se tiene un estado cuántico y se quiere echar un vistazo a su interior, se puede colapsar parte de ese estado mediante la medición y utilizar la información clásica que se obtiene de esa medición para aprender algo sobre la información cuántica que aún no se ha medido directamente. Este tipo de protocolos basados en la medición podrían desempeñar un papel importante en el desarrollo de algoritmos para estudiar los fenómenos de la materia condensada utilizando procesadores cuánticos.
Para obtener más detalles sobre este experimento, lea el artículo completo en Nature Physics . Para aprender a reproducir el experimento usted mismo, consulte nuestro tutorial en IBM Quantum Learning . IBM News. E. H. Ch. y R. D. Traducido al español
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