Un nuevo protocolo para demostrar de manera confiable la ventaja computacional cuántica.

30 de agosto de 2023

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por Ingrid Fadelli, Phys.org

Los ordenadores cuánticos, dispositivos que realizan cálculos explotando los fenómenos de la mecánica cuántica, tienen el potencial de superar a los ordenadores clásicos en algunas tareas y problemas de optimización. En los últimos años, equipos de investigación tanto en instituciones académicas como en empresas de tecnología han estado tratando de materializar este mejor rendimiento pronosticado para problemas específicos, lo que se conoce ampliamente como "ventaja cuántica".

Para demostrar de manera confiable que un ordenador cuántico funciona mejor que un ordenador clásico, se deben recopilar mediciones precisas dentro del ordenador y compararlas con las recopiladas en los ordenadores clásicos. Sin embargo, hacer esto a veces puede resultar desafiante debido a la naturaleza distinta de estos dos tipos de dispositivos.

Investigadores de NIST/University of Maryland, UC Berkeley, Caltech y otros institutos en Estados Unidos recientemente presentaron y probaron un nuevo protocolo que podría ayudar a validar de manera confiable la ventaja de los ordenadores cuánticos. Este protocolo, presentado en Nature Physics, se basa en mediciones intermedias y una técnica criptográfica.

"La inspiración última detrás de esta investigación, en mi opinión, es la pregunta de si las ventajas computacionales proporcionadas por los ordenadores cuánticos pueden validarse eficientemente", dijo Daiwei Zhu, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio, a Phys.org. "En otras palabras, si los ordenadores cuánticos se vuelven más potentes que cualquier simulación clásica, ¿cómo podemos validar su resultado a través de interrogatorios cruzados?

"Este es un desafío al que probablemente se enfrentan todas las demostraciones actuales de la ventaja cuántica. Los avances recientes encontraron una respuesta a esta pregunta utilizando la idea de una prueba interactiva criptográfica".

Las pruebas interactivas criptográficas son esencialmente protocolos interactivos a través de los cuales un ordenador clásico puede validar un ordenador cuántico mucho más potente a través de una serie de preguntas e instrucciones. Los protocolos utilizados por Zhu y sus colegas fueron presentados por primera vez en estudios previos por investigadores de UC Berkeley (publicado en Nature Physics) y Caltech (publicado en el Journal of the ACM). En su estudio reciente, el equipo de Zhu realizó una demostración de principio de estos protocolos, utilizando un ordenador cuántico de trampa de iones.

"Organizamos los qubits en varios segmentos según sus funciones (en qué etapa necesitan ser leídos) a lo largo de la computación interactiva", explicó Zhu. "En cada etapa de lectura, dividimos los segmentos objetivo del resto de los qubits y los trasladamos para realizar la lectura. De esta manera, se preserva la coherencia/información cuántica almacenada en otros segmentos para el resto de la computación".

El procedimiento seguido por Zhu y su colega produjo lecturas de los segmentos objetivo (es decir, los qubits que les interesaba examinar). Estos segmentos luego se verificaron de manera interactiva en comparación con las computaciones cuánticas realizadas, para validar la ventaja cuántica.

"Por un lado, integramos con éxito mediciones intermedias en circuitos cuánticos arbitrarios con una fidelidad general suficientemente alta utilizando cadenas de iones largas", dijo Zhu. "Esto podría aplicarse a muchos otros algoritmos interactivos. Por otro lado, nuestra demostración, cuando se ajusta adecuadamente a sistemas más grandes, promete la verificación eficiente de la ventaja computacional cuántica".

Los nuevos protocolos presentados y evaluados por este equipo de investigadores tienen ventajas notables sobre otros métodos existentes para probar la ventaja cuántica. Por ejemplo, en comparación con el algoritmo de Shor, que también es verificable de manera eficiente, su protocolo se puede implementar con un orden de magnitud menor de operaciones de compuertas cuánticas.

En el futuro, el nuevo protocolo interactivo podría implementarse y evaluarse en otros experimentos. Además, Zhu y sus colegas esperan diseñar protocolos interactivos adicionales para evaluar otros aspectos y dimensiones de la computación cuántica.

"Desde una perspectiva teórica, ahora estamos interesados en aplicar protocolos interactivos a otras tareas como la generación certificable de números aleatorios, la preparación remota de estados y la verificación de computaciones cuánticas arbitrarias", agregó Zhu. "Experimentalmente, utilizando la capacidad de medición intermedia de los circuitos, también estamos emocionados de explorar nuevos fenómenos, como las transiciones de fase del entrelazamiento, así como la demostración de protocolos de retroalimentación coherentes, incluida la corrección de errores cuánticos".

Journal information: Nature Physics

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