Con un coprocesador cuántico en la nube, los físicos de Innsbruck, Austria, abren la puerta a la simulación de problemas previamente no solucionables en química, investigación de materiales o física de alta energía. Los grupos de investigación liderados por Rainer Blatt y Peter Zoller informan en eldiario Naturaleza cómo simularon fenómenos de física de partículas en 20 bits cuánticos y cómo el simulador cuántico autoverificó el resultado por primera vez.
Muchos científicos están trabajando actualmente para investigar cómo se puede explotar la ventaja cuántica en el hardware ya disponible hoy. Hace tres años, los físicos simularon por primera vez la formación espontánea de un par de partículas elementales con una computadora cuántica digital en la Universidad de Innsbruck.Sin embargo, la tasa de error, simulaciones más complejas requeriría una gran cantidad de bits cuánticos que aún no están disponibles en las computadoras cuánticas de hoy. La simulación analógica de sistemas cuánticos en una computadora cuántica también tiene límites estrechos. Usando un nuevo método, los investigadores en torno a ChristianKokail, Christine Maier y Rick van Bijnen en el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica IQOQI de la Academia de Ciencias de Austria han superado estos límites. Utilizan una computadora cuántica de trampa de iones programable con 20 bits cuánticos como coprocesador cuántico, enqué cálculos de mecánica cuántica que alcanzan los límites de las computadoras clásicas se subcontratan ". Utilizamos las mejores funcionesde ambas tecnologías ", explica la física experimental Christine Maier."El simulador cuántico se hace cargo de los problemas cuánticos computacionalmente complejos y la computadora clásica resuelve las tareas restantes".
Caja de herramientas para modeladores cuánticos
Los científicos usan el método variacional conocido por la física teórica, pero lo aplican en su experimento cuántico. "La ventaja de este método radica en el hecho de que podemos usar el simulador cuántico como un recurso cuántico que es independiente del problema bajo investigación", explica Rick van Bijnen." De esta manera podemos simular problemas mucho más complejos. "Una comparación simple muestra la diferencia: un simulador cuántico analógico es como una casa de muñecas, representa la realidad. El simulador cuántico variacional programable, por otro ladoPor otro lado, ofrece bloques de construcción individuales con los que se pueden construir muchas casas diferentes. En los simuladores cuánticos, estos bloques de construcción son puertas de enredo y rotaciones de giro único. Con una computadora clásica, este conjunto de perillas se ajusta hasta alcanzar el estado cuántico previsto.esto los físicos han desarrollado un sofisticado algoritmo de optimización que en aproximadamente 100,000 solicitudes del coprocesador cuántico por parte de la computadora clásica conduce a laresultado.Junto con ciclos de medición extremadamente rápidos del experimento cuántico, el simulador en IQOQI Innsbruck se vuelve enormemente poderoso.Por primera vez, los físicos han simulado la creación y destrucción espontánea de pares de partículas elementales en el vacío en 20 bits cuánticos.Dado que el nuevo método es muy eficiente, también se puede usar en simuladores cuánticos aún más grandes.Los investigadores de Innsbruck planean construir un simulador cuántico con hasta 50 iones en un futuro próximo.Esto abre perspectivas interesantes para futuras investigaciones de modelos de estado sólido y problemas de física de alta energía.
Autocomprobación incorporada
Un problema previamente no resuelto en las simulaciones cuánticas complejas es la verificación de los resultados de la simulación. "Dichos cálculos difícilmente pueden verificarse o no con computadoras clásicas. Entonces, ¿cómo verificamos si el sistema cuántico ofrece el resultado correcto", pregunta elEl físico teórico Christian Kokail. "Hemos resuelto esta pregunta por primera vez haciendo mediciones adicionales en el sistema cuántico. En función de los resultados, la máquina cuántica evalúa la calidad de la simulación", explica Kokail. Tal mecanismo de verificación es el requisito previopara simulaciones cuánticas aún más complejas, porque el número necesario de bits cuánticos aumenta bruscamente. "Todavía podemos probar la simulación en 20 bits cuánticos en una computadora clásica, pero con simulaciones más complejas esto simplemente ya no es posible", dice Rick van Bijnen"En nuestro estudio, el experimento cuántico fue incluso más rápido que la simulación de control en la PC. Al final, tuvimos que sacarlo de la carrera para nopara frenar el experimento ", dice el físico.
nube cuántica de Innsbruck
Este logro de investigación se basa en la colaboración única entre experimento y teoría en el centro de investigación cuántica de Innsbruck. La experiencia de años de investigación cuántica experimental se encuentra con ideas teóricas innovadoras en Tirol, Austria. En conjunto, esto conduce a resultados que son reconocidos mundialmente yestablece una posición de liderazgo internacional en la investigación cuántica de Innsbruck. "Han pasado 15 años de trabajo muy duro en este experimento", enfatiza el físico experimental Rainer Blatt. "Es muy agradable ver que esto ahora está dando tan hermoso fruto".Peter Zoller agrega: "En Innsbruck no solo somos líderes en la cantidad de bits cuánticos disponibles, sino que ahora también hemos avanzado en el campo de la simulación cuántica programable y pudimos demostrar por primera vez la autoverificación de un procesador cuántico".Con este nuevo enfoque, ponemos al alcance la simulación de los problemas cuánticos cotidianos ".
El trabajo ahora publicado en Naturaleza fue financiado por el Fondo de Ciencia de Austria FWF y la Unión Europea, entre otros.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Innsbruck . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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