Estudio observa fuertes correlaciones de ruido entre qubits de silicio.

3 de noviembre de 2023 característica

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corregido por Ingrid Fadelli, Phys.org

Para construir computadoras cuánticas altamente eficientes, los investigadores deben poder derivar de manera confiable información sobre el ruido en su interior, al mismo tiempo que identifican estrategias efectivas para suprimir este ruido. En los últimos años, se ha avanzado significativamente en esta dirección, lo que permite errores de operación por debajo del 1% en diversas plataformas de computación cuántica. 

Un equipo de investigación en el Instituto de Tecnología de Tokio y RIKEN recientemente se propuso cuantificar de manera confiable las correlaciones entre el ruido producido por pares de qubits basados en semiconductores, que son muy atractivos para el desarrollo de procesadores cuánticos escalables. Su artículo, publicado en Nature Physics, reveló fuertes correlaciones de ruido entre un par de qubits de espín de silicio vecinos.

'Una computadora cuántica útil requeriría prácticamente millones de qubits controlados de manera confiable y densamente empaquetados, con errores no solo pequeños, sino también suficientemente no correlacionados', dijo Jun Yoneda, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio, a Phys.org. 'Nos propusimos abordar el problema potencialmente grave de la correlación de errores en los qubits de silicio, ya que se han convertido en una plataforma convincente para grandes cálculos cuánticos'.

Hasta ahora, ha resultado difícil fabricar procesadores cuánticos altamente eficientes basados en muchos qubits de silicio posicionados cerca unos de otros. Estos sistemas presentarían un ruido que está correlacionado entre diferentes qubits. Esto reduce la tolerancia a fallos de los dispositivos, aumentando su tasa de error y perjudicando así su rendimiento.

Como parte de su estudio reciente, Yoneda y sus colegas se propusieron explorar el alcance de estas correlaciones de ruido entre qubits, con la esperanza de informar el futuro desarrollo de sistemas de computación cuántica basados en semiconductores. Para hacer esto, analizaron y trataron de cuantificar la correlación entre el ruido observado por dos qubits basados en silicio que estaban ubicados a 100 nm de distancia entre sí.

'Los errores en los qubits de espín de silicio están dominados por las fluctuaciones de la energía del qubit, es decir, la diferencia de energía entre los estados de espín arriba y abajo', explicó Yoneda. 'Medimos la evolución temporal simultánea de las energías del qubit y evaluamos el 'grado de similitud' entre las dos trazas de tiempo a través de una cantidad llamada densidad espectral de potencia cruzada'.

Posteriormente, los investigadores utilizaron una técnica de estimación bayesiana que desarrollaron como parte de sus investigaciones anteriores, diseñada para proporcionar las distribuciones de probabilidad de las densidades espectrales de potencia cruzada. Esta técnica les permitió validar la relevancia estadística de las correlaciones que observaron, confirmando que los dos qubits estaban sujetos a un ruido fuertemente correlacionado.

'Observamos correlaciones de ruido fuertes entre qubits de silicio, con una fuerza de correlación tan grande como 0.7 en algunas frecuencias', dijo Yoneda. 'Es poco probable que estas correlaciones debido al ruido eléctrico se desintegren rápidamente con la distancia, por lo que ahora somos conscientes de que la correlación de errores debe tomarse en serio en matrices de qubits densos en silicio. También demostramos que el análisis de correlación de ruido proporciona nuevos conocimientos sobre la fuente de ruido del qubit'.

Los métodos estadísticos utilizados por este equipo de investigadores son únicos y poderosos, ya que, a diferencia de los enfoques convencionales, no requieren conocimiento previo del espectro de autos (por ejemplo, 1/f) para evaluar y cuantificar el ruido del qubit. En general, los hallazgos de este trabajo reciente confirman los desafíos asociados con la correlación de ruido entre qubits de silicio situados cerca, destacando la necesidad de idear nuevos enfoques para suprimir o mitigar el ruido en las computadoras cuánticas basadas en semiconductores.

'Nuestra investigación futura incluirá investigar hasta dónde se extenderá la correlación en una matriz de qubits, aprovechando los métodos que incluyen correlaciones cruzadas en el análisis de ruido que desarrollamos aquí experimentalmente', agregó Yoneda. 'Esta es una pregunta crítica con respecto a la tolerancia a fallos, así como a la comprensión de la fuente de ruido'.

Información del diario: Nature Physics

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