Chubut Digital

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