Programa de computadora desarrollado para encontrar “fugas” en computadoras cuánticas

Las computadoras cuánticas están diseñadas para procesar información utilizando bits cuánticos y prometen enormes aceleraciones en la computación científica y el descifrado de códigos.

Los dispositivos prototipo actuales son accesibles al público pero son muy propensos a errores: la información puede “filtrarse” a estados no deseados.

El programa de computadora diseñado y ejecutado por los físicos de la Universidad de Warwick puede determinar cuándo una computadora cuántica está “goteando”.

El nuevo programa de computadora que detecta cuando la información en una computadora cuántica está escapando a estados no deseados les dará a los usuarios de esta tecnología prometedora la capacidad de verificar su confiabilidad sin ningún conocimiento técnico, por primera vez.

Investigadores del Departamento de Física de la Universidad de Warwick han desarrollado un programa informático cuántico para detectar la presencia de “fugas”, donde la información procesada por una computadora cuántica escapa de los estados 0 y 1.

Su método se presenta en un artículo publicado en la revista Physical Review A, e incluye datos experimentales de su aplicación en una máquina de acceso público, que muestra que los estados indeseables están afectando ciertos cálculos.

La computación cuántica aprovecha las propiedades inusuales de la física cuántica para procesar información de una manera totalmente diferente a las computadoras convencionales.

Aprovechando el comportamiento de los sistemas cuánticos, como el hecho de existir en múltiples estados diferentes al mismo tiempo, esta forma radical de computación está diseñada para procesar datos en todos esos estados simultáneamente, otorgándole una gran ventaja sobre la computación convencional.

En la computación convencional, las computadoras cuánticas usan combinaciones de 0 y 1 para codificar información, pero las computadoras cuánticas pueden explotar estados cuánticos que son 0 y 1 al mismo tiempo.

Sin embargo, el hardware que codifica esa información a veces puede codificarla incorrectamente en otro estado, un problema conocido como “fuga”.

Incluso una fuga minúscula que se acumula en muchos millones de componentes de hardware puede causar errores de cálculo y errores potencialmente graves, anulando cualquier ventaja cuántica sobre las computadoras convencionales.

Como parte de un conjunto de errores mucho más amplio, las fugas están desempeñando su papel para evitar que las computadoras cuánticas se amplíen hacia aplicaciones comerciales e industriales.

Armados con el conocimiento de cuánta fuga cuántica está ocurriendo, los ingenieros informáticos estarán en mejores condiciones para construir sistemas que la mitiguen y los programadores pueden desarrollar nuevas técnicas de corrección de errores para tenerla en cuenta.

El Dr. Animesh Datta, Profesor Asociado de Física, dijo:

“El interés comercial en la computación cuántica está creciendo, por lo que quisimos preguntar cómo podemos decir con certeza que estas máquinas están haciendo lo que se supone que deben hacer.“

Las computadoras cuánticas están hechas idealmente de qubits, pero como sucede en los dispositivos reales, algunas veces no son qubits, sino que son qutrits (tres estados) o ququarts (sistemas de 4 estados).

Tal problema puede corromper cada paso subsiguiente de su operación de computación.

“La mayoría de las plataformas de hardware de computación cuántica sufren este problema, incluso las unidades de computadora convencionales experimentan fugas magnéticas, por ejemplo.

Necesitamos que los ingenieros informáticos cuánticos reduzcan las fugas lo más posible a través del diseño, pero también debemos permitir que los usuarios cuánticos de computadoras realicen pruebas de diagnóstico simples.

“Si las computadoras cuánticas deben ingresar al uso común, es importante que un usuario que no tenga idea de cómo funciona una computadora cuántica pueda verificar que esté funcionando correctamente sin necesidad de conocimientos técnicos, o si está accediendo a esa computadora de manera remota”.

Los investigadores aplicaron su método utilizando los dispositivos cuánticos de IBM Q Experience, a través del servicio en la nube de acceso público de IBM.

Utilizaron una técnica llamada dimensión testigo: aplicando repetidamente la misma operación en la plataforma IBM Q, obtuvieron un conjunto de datos de resultados que no podían explicarse por un solo bit cuántico, y solo por un sistema cuántico dimensional más complejo.

Han calculado que la probabilidad de que esta conclusión se derive de la mera probabilidad es inferior al 0,05%.

Mientras que las computadoras convencionales usan dígitos binarios, o 0s y 1s, para codificar información en transistores, las computadoras cuánticas usan partículas subatómicas o circuitos superconductores conocidos como transmones para codificar esa información como un qubit.

Esto significa que está en una superposición de 0 y 1 al mismo tiempo, lo que permite a los usuarios computar en diferentes secuencias de los mismos qubits simultáneamente.

A medida que aumenta el número de qubits, el número de procesos también aumenta exponencialmente.

Ciertos tipos de problemas, como los que se encuentran en el descifrado de códigos (que se basa en la factorización de enteros grandes) y en la química (como la simulación de moléculas complicadas), son particularmente adecuados para explotar esta propiedad.

Los transmones (y otro hardware de computadora cuántica) pueden existir en una gran cantidad de estados: 0, 1, 2, 3, 4 y así sucesivamente.

Una computadora cuántica ideal solo usa los estados 0 y 1, así como las superposiciones de estos, de lo contrario surgirán errores en el cálculo cuántico.

Fuente: Warwick