Investigadores de The University of Southern California (USC) han desarrollado un nuevo protocolo para evaluar puertas cuánticas, un paso crítico hacia el aprovechamiento pleno del potencial de la computación cuántica y la aceleración del progreso hacia computadoras cuánticas tolerantes a fallas.

El nuevo protocolo, conocido como benchmarking determinista (DB), proporciona un método más detallado y eficiente para identificar tipos específicos de ruido y errores cuánticos en comparación con técnicas ampliamente utilizadas hoy en día.

“La computación cuántica está limitada por la precisión con la que podemos implementar puertas —las operaciones básicas de un procesador cuántico—”, señaló Daniel Lidar, autor corresponsal del estudio y profesor de ingeniería eléctrica y computación, química, física y astronomía en University of Southern California, Viterbi School of Engineering y USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences. “Nuestro nuevo protocolo puede identificar tanto errores coherentes como incoherentes con solo unos pocos experimentos sencillos, haciéndolo mucho más eficiente que los enfoques actuales.”

Errores y puertas cuánticas

La computación cuántica tiene el potencial de resolver problemas complejos que están fuera del alcance de las computadoras tradicionales o clásicas. Sin embargo, la precisión de los cálculos cuánticos depende en gran medida del desempeño de las puertas cuánticas, que son propensas a errores debido a ruido y descalibración.

Las puertas cuánticas realizan operaciones sobre los qubits, que son el equivalente cuántico de los bits de las computadoras clásicas; son esenciales para construir algoritmos cuánticos y constituyen los bloques fundamentales de los circuitos y los cálculos cuánticos. Estas puertas permiten a las computadoras cuánticas ejecutar algoritmos exponencialmente más rápidos que los que se ejecutan en computadoras clásicas para ciertas tareas.

Sin embargo, las puertas cuánticas son susceptibles al ruido y a errores, razón por la cual la evaluación de desempeño (benchmarking) y la corrección de errores son áreas críticas de investigación en computación cuántica. Las dos principales categorías de errores son los coherentes e incoherentes. Los errores coherentes son deterministas y repetibles, preservando la pureza del estado cuántico. Estos errores se acumulan como amplitudes (en lugar de probabilidades), lo que puede conducir a una acumulación de errores mucho más rápida debido a su crecimiento cuadrático.”

Los errores incoherentes son una categoría de errores que resultan de la interacción de los sistemas cuánticos con el entorno; estos errores privan a las computadoras cuánticas de su naturaleza cuántica, dejándolas, funcionando igual que las computadoras clásicas.

Recientemente, los físicos han reconocido el importante papel que desempeñan los errores coherentes en limitar el desempeño de las computadoras cuánticas. Eli Levenson-Falk, coautor corresponsal del estudio y profesor asistente de física y astronomía, así como de ingeniería eléctrica y computación en USC Dornsife, enfatiza la importancia de evaluar con precisión los errores de las puertas.

“Lo único de nuestro enfoque es que puede distinguir claramente entre diferentes tipos de errores cuánticos”, dijo Levenson-Falk. “Esto es crucial porque ciertos tipos de errores, particularmente los errores coherentes, pueden ser más destructivos para los algoritmos cuánticos y requieren estrategias de mitigación diferentes.”

El benchmarking determinista mejora la eficiencia

Las evaluaciones cuánticas (benchmarks) son un conjunto de protocolos y métodos utilizados para evaluar el desempeño general de la computadora cuántica, que incluye sus puertas, circuitos y procesadores. Estos protocolos son cruciales para el desarrollo y la optimización de tecnologías de computación cuántica al proporcionar medidas cuantitativas de cómo se realizan las operaciones cuánticas en presencia de ruido y errores.

Lidar dijo que el benchmarking determinista (DB) representa un avance significativo en computación cuántica porque es determinista y eficiente. A diferencia de otros métodos de evaluación, el DB utiliza un conjunto pequeño y fijo de secuencias de pulsos simples en lugar de promediar sobre circuitos aleatorios.

Los investigadores mencionaron que la clave para entender el avance del DB es compararlo con el benchmarking aleatorio (RB), un método ampliamente utilizado para estimar la tasa promedio de errores en puertas cuánticas. A diferencia del RB, que promedia muchas secuencias aleatorias de puertas para proporcionar una métrica única de error, el DB utiliza secuencias diseñadas para detectar fuentes específicas de error que pasan desapercibidas cuando se utiliza el RB.

El nuevo método abre oportunidades para avances en química cuántica y ciencia de materiales

Los investigadores demostraron el DB en un qubit transmon —un tipo de qubit superconductor ampliamente utilizado en computación cuántica— para mostrar su capacidad de detectar pequeños cambios en parámetros de qubits que son invisibles para técnicas estándar de evaluación.

“Al realizar varios experimentos, demostramos la variedad de capacidades del DB”, dijo Lidar. Agregó que la capacidad sobresaliente del DB es que proporciona información detallada sobre errores coherentes e incoherentes, lo que permite una mejor calibración de las puertas cuánticas. El DB también requiere menos ejecuciones experimentales que el RB, lo que mejora la eficiencia de los recursos.

La investigación tiene implicaciones significativas para aplicaciones en química cuántica y ciencia de materiales, donde las operaciones precisas de puertas son esenciales para lograr simulaciones confiables de sistemas moleculares.

Los investigadores planean explorar formas de extender el DB a puertas de dos qubits, lo que podría llevar a circuitos cuánticos más complejos. Además, están investigando cómo el DB puede adaptarse a otras plataformas de computación cuántica más allá de los qubits superconductores, como sistemas de iones atrapados y sistemas fotónicos.