Nuevo algoritmo de computación cuántica desbloquea el poder de las interacciones a nivel atómico.

Figura 1: Una ilustración que muestra los dos estados de un superconductor de alta temperatura de cupratos. Un nuevo protocolo para la construcción de circuitos cuánticos podría ayudar con cálculos en materiales cuánticos como los superconductores. Crédito: Departamento de Energía de EE. UU.

Un protocolo novedoso para computadoras cuánticas podría reproducir la dinámica compleja de los materiales cuánticos.

Investigadores de RIKEN han creado un algoritmo cuántico-computacional híbrido que puede calcular eficientemente las interacciones a nivel atómico en materiales complejos. Esta innovación permite el uso de computadoras cuánticas más pequeñas o convencionales para estudiar la física de la materia condensada y la química cuántica, lo que allana el camino para nuevos descubrimientos en estos campos.

RIKEN ha desarrollado un algoritmo cuántico-computacional que podría utilizarse para calcular eficientemente y con precisión las interacciones a nivel atómico en materiales complejos. Tiene el potencial de llevar a un nivel sin precedentes de comprensión de la física de la materia condensada y la química cuántica: una aplicación de las computadoras cuánticas propuesta por el brillante físico Richard Feynman en 1981.

Las computadoras cuánticas ofrecen la promesa de una mayor potencia de cálculo y la capacidad de resolver problemas que están fuera del alcance de las computadoras convencionales.

Kaoru Mizuta y sus colaboradores han demostrado un método para implementar operadores de evolución temporal en computadoras cuánticas de tamaño limitado. Crédito: 2023 Centro de Computación Cuántica de RIKEN

Los qubits, los bloques de construcción de las computadoras cuánticas, son esencialmente sistemas pequeños, como nanocristales o circuitos superconductores, que están gobernados por las leyes de la física cuántica. A diferencia de los bits utilizados en computadoras convencionales, que pueden ser uno o cero, los qubits pueden tener múltiples valores simultáneamente. Es esta propiedad de los qubits la que les da a las computadoras cuánticas su ventaja en términos de velocidad.

Una forma de cómputo poco convencional también requiere una nueva perspectiva sobre cómo procesar eficientemente los datos para abordar problemas demasiado difíciles para las computadoras convencionales.

Un ejemplo notable de esto es el llamado operador de evolución temporal. "Los operadores de evolución temporal son enormes rejillas de números que describen los comportamientos complejos de los materiales cuánticos", explica Kaoru Mizuta del Centro de Computación Cuántica de RIKEN. "Son de gran importancia porque dan a las computadoras cuánticas una aplicación muy práctica: mejor comprensión de la química cuántica y la física de los sólidos."

Los prototipos de computadoras cuánticas demostrados hasta la fecha han logrado operadores de evolución temporal utilizando una técnica relativamente simple llamada Trotterización. Pero se considera que Trotterización no es adecuado para las computadoras cuánticas del futuro porque requiere una gran cantidad de compuertas cuánticas y, por lo tanto, mucho tiempo computacional. En consecuencia, los investigadores han estado esforzándose por crear algoritmos cuánticos para simulaciones cuánticas precisas que utilicen menos compuertas cuánticas.

Ahora, Mizuta, trabajando con colegas de todo Japón, ha propuesto un algoritmo mucho más eficiente y práctico. Una combinación de métodos cuánticos y clásicos, puede compilar operadores de evolución temporal con un menor costo computacional, lo que le permite ejecutarse en computadoras cuánticas pequeñas o incluso convencionales.

"Hemos establecido un nuevo protocolo para la construcción de circuitos cuánticos que reproducen eficiente y precisamente los operadores de evolución temporal en computadoras cuánticas", explica Mizuta. "Al combinar pequeños algoritmos cuánticos con las leyes fundamentales de la dinámica cuántica, nuestro protocolo tiene éxito en diseñar circuitos cuánticos para replicar materiales cuánticos a gran escala, pero con computadoras cuánticas más simples."

Mizuta y su equipo tienen la intención de aclarar cómo los operadores de evolución temporal optimizados por su método se pueden aplicar a varios algoritmos cuánticos que pueden calcular las propiedades de los materiales cuánticos. "Anticipamos que este trabajo demostrará el potencial de utilizar computadoras cuánticas más pequeñas para estudiar la física y la química".

Referencia: "Local Variational Quantum Compilation of Large-Scale Hamiltonian Dynamics" de Kaoru Mizuta, Yuya O. Nakagawa, Kosuke Mitarai y Keisuke Fujii, 5 de octubre de 2022, PRX Quantum. DOI: 10.1103/PRXQuantum.3.040302