Simulació d'efectes col·lectius entre els qubits d'un ordinador quàntic

Un equip internacional, en el qual han participat investigadors de l’IFISC (UIB-CSIC) en col·laboració amb la Universitat d'Hèlsinki, la Universitat Aalto i la startup Algorithmiq (Finlàndia), ha simulat amb èxit la dinàmica col·lectiva i dissipativa de dos qubits en un ordinador quàntic real. Aquests resultats poden aplanar el camí per a la simulació quàntica de dinàmiques col·lectives més complexes en ordinadors quàntics ja disponibles en l'actualitat i establir un procediment per a comparar els resultats de simulacions quàntiques amb les propietats de soroll dels dispositius experimentals. La investigació representa la primera simulació digital completament quàntica d'efectes col·lectius dissipatiuos en un ordinador quàntic.

L'estudi, publicat en la prestigiosa revista PRX Quantum, va consistir a simular la dinàmica dels sistemes quàntics amb la dimensió més xicoteta possible i que suposen la base de la computació quàntica: els qubits. Simulant un bany global entre dos qubits, els investigadors van poder comprovar com les seues emissions interfereixen, tant de manera constructiva (superradiancia) com a destructiva (subradiancia). Aquests dos qubits formen un sistema quàntic estructurat la dinàmica del qual és "oberta" i "col·lectiva". Els investigadors també van estudiar de manera teòrica i experimental les propietats del soroll i van establir relacions entre les seves característiques i la precisió de la simulació. Els ordinadors quàntics actuals són inevitablement sorollosos, limitats per temps de coherència curts. Això significa que existeixen fortes restriccions a la profunditat dels circuits quàntics que es poden implementar.

El concepte darrere de la simulació quàntica es basa en la idea de simular sistemes quàntics en una plataforma física controlable i la dinàmica de la qual estiga dirigida per les lleis de la mecànica quàntica. Això permet explorar i obtindre solucions de dinàmiques quàntiques que d'una altra manera serien impossibles d'obtenir en un ordinador clàssic. Controlar aquestes simulacions quàntiques és crucial per a comprendre les propietats del soroll en els ordinadors quàntics reals i explorar fenòmens actuals com les transicions de fase quàntiques dissipatives, la sincronització quàntica o els cristalls temporals dissipativus. A més, caracteritzar el soroll dels ordinadors quàntics pot ajudar a comprendre les limitacions dels dispositius i, per tant, a dissenyar possibles contramesures.

Imatge: Esquema del sistema simulat. Un generador de partícules (grisa) fa col·lidir una partícula amb el qubit Q1 (verd), després amb el Q2 (roig) i de nou amb el Q1. Aquests xocs generen una interacció global representada amb el núvol (blau).

Cattaneo, Marco, et al. “Quantum Simulation of Dissipative Collective Effects on Noisy Quantum Computers.” PRX Quantum, vol. 4, no. 1, 2023, https://doi.org/10.1103/prxquantum.4.010324.