Imagínese configurar una elaborada cadena de fichas de dominó, donde cada pieza debe golpear a la siguiente en perfecto orden para producir un resultado final satisfactorio.
Los circuitos cuánticos funcionan de la misma manera. Consisten en muchos pequeños pasos, llamados (“operaciones”), que trabajan juntos para procesar información de una manera altamente coordinada.
Ahora imagina esas fichas de dominó un poco inestables. En los sistemas cuánticos, esa inestabilidad se conoce como “ruido”. Puede parecer pequeño al principio, pero incluso las perturbaciones más pequeñas pueden acumularse con el tiempo e interferir con toda la secuencia.
Cómo el ruido limita la potencia de la computación cuántica
Esto plantea una pregunta importante. Si cada paso de un circuito cuántico se ve afectado por el ruido, ¿el aumento de la complejidad sigue siendo una ventaja? Los circuitos cuánticos son esenciales para tecnologías como las computadoras cuánticas, cuyo objetivo es resolver problemas que están fuera del alcance de las máquinas clásicas.
Un nuevo estudio teórico ha explorado esta cuestión en profundidad. Los investigadores descubrieron que el ruido pone un límite práctico estricto a la profundidad que puede tener un circuito cuántico, es decir, cuántos pasos se pueden realizar secuencialmente. También demostraron que el ruido puede hacer que partes de este circuito sean más fáciles de simular utilizando computadoras clásicas.
La investigación fue dirigida por Armando Angrisani y Yhui Quik de la EPFL, Antonio Anna Mele de la Universidad Libre de Berlín y Daniel Stilck Franca de la Universidad de Copenhague. Se publican los resultados Física de la naturaleza.
Por qué solo importa el paso final
Para comprender el efecto del ruido, el equipo examinó grandes grupos de circuitos cuánticos construidos a partir de operaciones simples de dos qubits. Su modelo incluía condiciones realistas, donde cada qubit experimenta ruido después de cada paso.
Utilizando análisis matemático, rastrearon cómo se movía cada nivel de influencia a través del circuito. Los resultados revelaron que en la mayoría de los circuitos cuánticos ruidosos, sólo los últimos pasos afectan significativamente los resultados.
Incluso cuando los circuitos están diseñados para ser muy profundos, los efectos de operaciones anteriores desaparecen gradualmente. En la comparación del dominó, es como si sólo la pieza final determinara el resultado final.
Esto tiene implicaciones reales. Cuando se utiliza una computadora cuántica para calcular propiedades como la energía o el estado de un qubit, el resultado está determinado en gran medida por la capa final. Las actividades anteriores efectivamente “se desvanecen de la memoria” a medida que se acumula el ruido.
Por qué todavía se pueden entrenar circuitos cuánticos ruidosos
Los resultados también ayudan a explicar por qué los circuitos cuánticos ruidosos todavía pueden adaptarse o “entrenarse” para tareas específicas. Cambiar la configuración del circuito puede afectar los resultados, pero principalmente porque las etapas finales juegan un papel activo.
En consecuencia, un circuito profundo afectado por ruido se comporta de forma muy parecida a uno superficial. Agregar más pasos no necesariamente aumenta el rendimiento, ya que la mayoría de los pasos anteriores ya no contribuyen de manera significativa.
Qué significa esto para la futura tecnología cuántica
Este trabajo proporciona una imagen clara de lo que las máquinas cuánticas actuales pueden lograr de manera realista. Es poco probable que simplemente aumentar la profundidad del circuito dé buenos resultados para muchas tareas comunes, especialmente aquellas basadas en mediciones locales.
El progreso futuro probablemente dependerá de la reducción del ruido o del diseño de circuitos que puedan funcionar eficazmente a pesar de ello. El estudio también destaca una posible idea errónea. Los circuitos ruidosos pueden parecer entrenados, pero esto se debe en parte a que el ruido ya ha reducido su complejidad efectiva. Tratar el ruido como una simple mancha borrosa puede generar expectativas poco realistas sobre las verdaderas capacidades de la computación cuántica.
Contribuyente
- Universidad Libre de Berlín
- EPFL
- Universidad de la Sorbona
- universidad de chicago
- Instituto Fraunhofer Heinrich Hertz
- ENS Lyon
- con
