Trencant la barrera: dissipació controlada per superar els Barren Plateaus en algoritmes quàntics

Un equip d'investigadors de l'Institut de Física Interdisciplinària i Sistemes Complexos (IFISC) ha presentat un enfocament innovador per a abordar un dels majors desafiaments en la computació quàntica: els barren plateaus. Aquest fenomen limita greument el rendiment dels algorismes quàntics variacionals (VQA), que són crucials per a resoldre problemes d'optimització en computadores quàntiques sorolloses. 

En el seu estudi, titulat «Engineered Dissipation to Mitigate Escombren Plateaus», els autors demostren que incorporar pèrdues Markovianes controlades després de cada capa d'un circuit quàntic unitari pot millorar la capacitat d’entrenar dels models quàntics. Aquesta troballa desafia la creença convencional que la dissipació és perjudicial per a les tecnologies quàntiques. 

Els barren plateaus són un fenomen que ocorre en els algoritmes quàntics variacionals, una classe important d'algorismes utilitzats en la computació quàntica. Aquests plateaus representen un desafiament significatiu perquè, quan un algorisme quàntic entra en un barren plateau, es torna extremadament difícil millorar el seu rendiment, similar a estar atrapat en un terreny pla sense saber en quina direcció moure's per a trobar el punt més baix. A més, empitjoren amb la grandària, limitant l'escalabilitat dels algorismes quàntics. 

Els barren plateaus generen grans ineficiències en l'entrenament. Els investigadors identifiquen les formes necessàries de processos de dissipació i estableixen que optimitzar aquests processos és eficient. El seu treball avalua l'aplicabilitat general d'aquesta estratègia tant en exemples sintètics com en casos pràctics de química quàntica, demostrant la seva efectivitat en diversos dominis. 

Els investigadors proposen utilitzar una tècnica anomenada "dissipació controlada". Això implica introduir intencionadament una forma controlada de soroll o interacció amb l'entorn després de cada capa del circuit quàntic. A diferència del soroll incontrolat, aquesta dissipació controlada està dissenyada per a ajudar l'algorisme a aprendre millor i evitar quedar-se atrapat en els barren plateaus. L'equip destaca que, si bé les plataformes quàntiques sorolloses solen veure's com una limitació, les seves troballes suggereixen que les operacions no unitàries poden millorar significativament la precisió dels càlculs. 

Aquest avanç marca un pas cap a la superació de les limitacions actuals en la computació quàntica, aplanant el camí per a aplicacions millorades en química quàntica, aprenentatge automàtic i més enllà. La recerca no sols ressalta el potencial de la dissipació controlada, sinó que també obre noves vies per a continuar explorant la dinàmica de sistemes oberts i els algorismes quàntics.

Sannia, A., Tacchino, F., Tavernelli, I. et al. Engineered dissipation to mitigate barren plateaus. npj Quantum Inf 10, 81 (2024). https://doi.org/10.1038/s41534-024-00875-0

Photo: Diagrama il·lustratiu de la funció de cost optimitzada per a un sistema que utilitza un enfocament de dissipació.