A medida que múltiples grupos de investigación de todo el mundo compiten para construir una computadora cuántica escalable, quedan preguntas sobre cómo se verificará el logro de la supremacía cuántica.
La supremacía cuántica es el término que describe la capacidad de una computadora cuántica para resolver una tarea computacional que sería prohibitivamente difícil para cualquier algoritmo clásico. Se considera un hito crítico en la computación cuántica, pero porque la naturaleza misma de la actividad cuántica desafía la corroboración tradicional,Ha habido esfuerzos paralelos para encontrar una manera de demostrar que se ha alcanzado la supremacía cuántica.
Los investigadores de la Universidad de California, Berkeley, acaban de intervenir al presentar una propuesta práctica líder conocida como muestreo de circuito aleatorio RCS con un sello de aprobación calificado con el peso de la evidencia teórica de complejidad detrás de él. El muestreo de circuito aleatorio es la técnicaGoogle ha presentado para probar si ha logrado la supremacía cuántica con un chip de computadora de 72 qubits llamado Bristlecone, presentado a principios de este año.
Los teóricos informáticos de UC Berkeley publicaron su prueba de RCS como método de verificación en un documento publicado el lunes 29 de octubre en la revista Física de la naturaleza .
"La necesidad de evidencia sólida para la supremacía cuántica se subestima, pero es importante precisar esto", dijo el investigador principal del estudio Umesh Vazirani, profesor de Ingeniería Eléctrica e Informática Roger A. Strauch en la Universidad de California en Berkeley. "Además de ser un hitoEn el camino hacia las computadoras cuánticas útiles, la supremacía cuántica es un nuevo tipo de experimento de física para probar la mecánica cuántica en un nuevo régimen. La pregunta básica que debe responderse para cualquier experimento de este tipo es qué tan seguros podemos estar de que el comportamiento observado es realmente cuántico.y no podría haber sido replicado por medios clásicos. Eso es lo que abordan nuestros resultados "
Los otros investigadores en este documento son Adam Bouland y Bill Fefferman, ambos becarios de investigación posdoctorales, y Chinmay Nirkhe, un estudiante de doctorado, todos en el grupo de investigación de computación teórica de Vazirani.
La inversión en quantum se está calentando
El documento se produce en medio de una actividad acelerada en el gobierno, la academia y la industria de la ciencia de la información cuántica. El Congreso está considerando la Ley de Iniciativa Cuántica Nacional, y el mes pasado, el Departamento de Energía de EE. UU. Y la Fundación Nacional de Ciencia anunciaron casi $ 250 millones en subvenciones para apoyarinvestigación en ciencia y tecnologías cuánticas.
Al mismo tiempo, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y UC Berkeley anunciaron la formación de Berkeley Quantum, una asociación diseñada para acelerar y expandir la innovación en la ciencia de la información cuántica.
Hay mucho en juego a medida que aumenta la competencia internacional en investigación cuántica y crece la necesidad de cálculos cada vez más complejos. Con la verdadera computación cuántica, los problemas que no son prácticos incluso para las supercomputadoras más rápidas hasta la fecha podrían ser relativamente eficientes de resolver. Sería un problemacambio de juego en criptografía, simulaciones de interacciones moleculares y químicas y aprendizaje automático.
Las computadoras cuánticas no están limitadas por los 0 y 1 tradicionales de los bits de una computadora tradicional. En cambio, los bits cuánticos, o qubits, pueden codificar 0, 1 y cualquier superposición cuántica de los dos para crear múltiples estados simultáneamente.
Cuando Google presentó Bristlecone, dijo que la prueba empírica de su supremacía cuántica vendría a través del muestreo de circuito aleatorio, una técnica en la cual el dispositivo usaría configuraciones aleatorias para comportarse como un circuito cuántico aleatorio. Para ser convincente, también necesitaríaSea una fuerte evidencia de que no hay un algoritmo clásico que se ejecute en una computadora clásica que pueda simular un circuito cuántico aleatorio, al menos en un período de tiempo razonable.
Detectando acentos cuánticos
El equipo de Vazirani se refirió a una analogía entre la salida del circuito cuántico aleatorio y una cadena de sílabas aleatorias en inglés: incluso si las sílabas no forman oraciones o palabras coherentes, todavía tendrán un "acento" en inglés y seránreconociblemente diferente del griego o sánscrito.
Mostraron que producir una salida aleatoria con un "acento cuántico" es realmente difícil para una computadora clásica a través de una construcción teórica de complejidad técnica llamada "reducción del peor de los casos al promedio".
El siguiente paso fue verificar que un dispositivo cuántico en realidad hablara con acento cuántico. Esto se basa en el principio Goldilocks: una máquina de 50 qubit es lo suficientemente grande como para ser potente, pero lo suficientemente pequeña como para ser simulada por una supercomputadora clásicaSi es posible verificar que una máquina de 50 qubits habla con acento cuántico, eso proporcionaría una fuerte evidencia de que una máquina de 100 qubits, que sería prohibitivamente difícil de simular clásicamente, también lo haría.
Pero incluso si una supercomputadora clásica estuviera programada para hablar con acento cuántico, ¿sería capaz de reconocer a un hablante nativo? La única forma de verificar la salida del hablante es mediante una prueba estadística, dijeron los investigadores de Berkeley. Investigadores de Google.proponen medir el grado de coincidencia mediante una métrica llamada "diferencia de entropía cruzada". Una puntuación de entropía cruzada de 1 sería una coincidencia ideal.
El supuesto dispositivo cuántico puede considerarse que se comporta como un circuito cuántico ideal con ruido aleatorio agregado. Fefferman y Bouland dicen que la puntuación de entropía cruzada certificará la autenticidad del acento cuántico siempre que el ruido siempre agregue entropía a la salida. Esto esno siempre es así, por ejemplo, si el proceso de ruido borra preferentemente 0s sobre 1s, en realidad puede reducir la entropía.
"Si los circuitos aleatorios de Google son generados por un proceso que permite tales borrados, entonces la entropía cruzada no sería una medida válida de supremacía cuántica", dijo Bouland. "Eso es en parte por qué será muy importante que Google identifiquecómo su dispositivo se desvía de un circuito cuántico aleatorio real "
Estos resultados son un eco del trabajo que Vazirani hizo en 1993 con su alumno Ethan Bernstein cuando presentaron la primera evidencia formal de que las computadoras cuánticas acelerarían exponencialmente ciertos cálculos. Esto abrió la puerta a los algoritmos cuánticos al mostrar que las computadoras cuánticas violan elTesis extendida de Church-Turing, un principio fundamental en informática.
Peter Shor, de Bell Labs, llevó su trabajo un paso más allá al mostrar que un problema práctico muy importante, la factorización de enteros, podría ser acelerado exponencialmente por una computadora cuántica.
"Esta secuencia proporciona una plantilla para que la raza construya computadoras cuánticas en funcionamiento", dijo Vazirani. "La supremacía cuántica es una violación experimental de la tesis extendida de Church-Turing. Una vez que se logre, el próximo desafío será diseñar computadoras cuánticasque puede resolver problemas prácticamente útiles "
La Oficina de Investigación del Ejército, la Fundación Nacional de Ciencias, la Beca de la Facultad Vannevar Bush y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología ayudaron a apoyar esta investigación.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Berkeley . Original escrito por Sarah Yang. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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