Un estudio revela los límites de hasta qué punto se pueden «deshacer» los errores cuánticos en grandes sistemas

Las computadoras cuánticas tienen el potencial de superar a las computadoras clásicas en algunos problemas de procesamiento de información prácticamente relevantes, tal vez incluso en aprendizaje automático y optimización. Sin embargo, su despliegue generalizado aún no es posible, en gran parte porque son sensibles al ruido, lo que les induce a cometer errores.

Existe una tecnología diseñada para manejar estos errores conocida como corrección de errores cuánticos, que está diseñada para funcionar “sobre la marcha”, monitoreando errores y recuperando cálculos cuando ocurren. A pesar de los enormes avances en los últimos meses en este sentido, esta estrategia sigue siendo experimentalmente muy desafiante y conlleva importantes costos de recursos.

Un enfoque alternativo, conocido como mitigación de errores cuánticos, funciona de una manera más indirecta: en lugar de corregir los errores en el momento en que aparecen, el cálculo plagado de errores (o versiones modificadas del mismo) se ejecuta hasta su finalización. Sólo al final se puede volver a sacar la conclusión correcta. Este método se ha propuesto como una «solución alternativa» para abordar los errores cometidos por las computadoras cuánticas antes de que se pueda implementar la corrección total de errores.

Sin embargo, investigadores del MIT, la École Supérieure de Lyon, la Universidad de Virginia y la Universidad Libre de Berlín han demostrado que las técnicas de mitigación de errores cuánticos se vuelven altamente ineficaces a medida que las computadoras cuánticas se hacen cada vez más grandes.

Esto significa que la mitigación de errores no será una solución milagrosa a largo plazo para el perenne problema del ruido en la computación cuántica. ha sido publicado en Física de la naturalezaEste informe proporciona orientación sobre esquemas que casi con certeza son ineficaces para mitigar el impacto negativo del ruido en los cálculos cuánticos.

«Estábamos pensando en imponer límites a la computación cuántica en el corto plazo utilizando puertas cuánticas ruidosas», dijo a Phys.org el coautor del estudio, Jens Eisert.

“Nuestro compañero Daniel Stelke acaba de demostrar que Francia un resultado Esta fue una fuerte limitación para la computación cuántica en el corto plazo. Demostró que para el ruido polarizado, a una profundidad logarítmica, se puede alcanzar un estado cuántico que puede capturarse utilizando técnicas de muestreo clásicas eficientes. «Estábamos pensando en la mitigación de errores cuánticos, pero luego pensamos: ‘Espera, ¿qué significa todo esto para la mitigación de errores cuánticos?’

El artículo reciente de Yihui Kuek, Daniel Stelke-France, Sumeet Khatri, Johannes Jakob Mayer y Jens Eisert se basa en esta pregunta de investigación y tiene como objetivo explorar los límites precisos de la mitigación de errores cuánticos. Sus hallazgos revelan cómo la mitigación de errores cuánticos puede ayudar a reducir el impacto del ruido en la computación cuántica de corto alcance.

«La mitigación de errores cuánticos pretendía servir como una alternativa a la corrección de errores cuánticos porque requiere una ingeniería menos precisa para implementarse y, por lo tanto, había esperanzas de que estuviera al alcance, incluso para capacidades experimentales», dijo Yihui Kuek, autor principal del artículo. , dijo a Phys.org actual».

“Pero al observar estos esquemas de mitigación relativamente más simples, comenzamos a darnos cuenta de que tal vez no puedas quedarte con el pastel y comértelo; sí, requieren menos qubits y control, pero eso a menudo tiene el costo de tener que ejecutar el sistema. Todo el sistema con un número preocupantemente grande de veces”.

Un ejemplo de un esquema de mitigación que el equipo encontró que tenía limitaciones es lo que se conoce como “extrapolación sin error”. Este esquema funciona aumentando gradualmente la cantidad de ruido en el sistema y luego convirtiendo los resultados del cálculo más ruidoso en un escenario libre de ruido.

«Básicamente, para combatir el ruido, se supone que debes aumentar el ruido en tu sistema», explicó Quick. «Incluso intuitivamente, esto claramente no puede ser escalable».

Los circuitos cuánticos (es decir, los procesadores cuánticos) constan de múltiples capas de puertas cuánticas, cada una de las cuales se alimenta y avanza mediante cálculos realizados en la capa anterior. Pero si las puertas son ruidosas, cada capa del circuito se convierte en un arma de doble filo: mientras avanza un cálculo, la propia puerta introduce errores adicionales.

«Esto conduce a una terrible paradoja: se necesitan muchas capas de puertas (y por lo tanto un circuito profundo) para realizar un cálculo no trivial», dijo Quick.

«Sin embargo, el circuito más profundo también es más ruidoso y probablemente produzca más tonterías. Por lo tanto, existe una carrera entre la velocidad a la que se pueden realizar los cálculos y la velocidad a la que se acumulan los errores en los cálculos».

“Nuestro trabajo muestra que hay circuitos muy complejos donde la velocidad de respuesta es mucho más rápida de lo que se pensaba originalmente, hasta el punto de que para suavizar estos circuitos complejos sería necesario ejecutarlos un número inviable de veces. algoritmo específico que utiliza «. Para mitigar la gravedad del error.

El reciente estudio de Quick, Eisert y sus colegas sugiere que la mitigación de errores cuánticos no es tan escalable como algunos esperaban. De hecho, el equipo descubrió que a medida que aumenta el tamaño de los circuitos cuánticos, el esfuerzo o los recursos necesarios para operar la mitigación de errores aumentan exponencialmente.

«Como ocurre con todas las teorías del rechazo, preferimos verlo como una invitación y no como un obstáculo», dijo Eisert.

“Quizás al trabajar con componentes locales conectados geométricamente llegamos a escenarios más optimistas, en cuyo caso nuestros límites son quizás demasiado pesimistas. Las estructuras arquitectónicas comunes a menudo tienen interacciones locales. Nuestro estudio también puede verse como un llamado a pensar en esquemas más coherentes. para mitigar los errores cuantitativos”.

Los hallazgos de este equipo de investigación pueden servir como guía para físicos e ingenieros cuánticos de todo el mundo, inspirándolos a idear esquemas alternativos y más efectivos para mitigar los errores cuánticos. Además, estos resultados pueden inspirar otros estudios que se centren en aspectos teóricos de los circuitos cuánticos aleatorios.

«El escaso trabajo previo sobre algoritmos individuales para mitigar errores cuánticos indicaba que estos esquemas no serían escalables», dijo Quick.

“Se nos ocurrió un marco que se adapta a una gran variedad de estos algoritmos individuales. Esto nos permitió argumentar que esta deficiencia observada por otros tiene su origen en la idea de mitigación de errores cuánticos y no tiene nada que ver con la misma. implementación específica”.

«Esto es posible gracias a las máquinas matemáticas que hemos desarrollado, que representan los resultados más sólidos conocidos hasta la fecha sobre la rapidez con la que los circuitos pierden su información cuántica debido al ruido físico».

En el futuro, el artículo de Quick, Eisert y sus colegas puede ayudar a los investigadores a identificar los tipos de esquemas de mitigación de errores cuánticos que tienen más probabilidades de ser ineficaces. La idea conceptual básica de los resultados del equipo es cristalizar la intuición de que las puertas de largo alcance (es decir, puertas con qubits separados por grandes distancias) pueden ser a la vez útiles y problemáticas, porque producen fácilmente entrelazamientos, haciendo avanzar la informática y al mismo tiempo se propagan… Ruido en el sistema más rápido.

«Esto, por supuesto, abre la puerta a la cuestión de si es posible lograr una ventaja cuántica sin utilizar estos ‘súper esparcidores’ tanto de la tecnología cuántica como de sus peores enemigos (es decir, el ruido)», añadió Quick. «Vale la pena señalar que no todos nuestros resultados se mantienen cuando se introducen nuevos qubits auxiliares en medio del cálculo, por lo que una cierta cantidad de eso puede ser necesario».

En sus próximos estudios, los investigadores planean cambiar el enfoque de los problemas que han identificado a posibles soluciones para superarlos. Algunos de sus colegas ya han logrado algunos avances en esta dirección, utilizando una combinación de medición estocástica y técnicas de mitigación de errores cuantitativos.

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