Simulación de efectos colectivos entre los qubits de un ordenador cuántico

10 de Marzo de 2023

Un equipo internacional, en el que han participado investigadores del IFISC (UIB-CSIC) en colaboración con la Universidad de Helsinki, la Universidad Aalto y  la startup Algorithmiq (Finlandia), ha simulado con éxito la dinámica colectiva y disipativa de dos qubits en un ordenador cuántico real. Estos resultados pueden allanar el camino para la simulación cuántica de dinámicas colectivas más complejas en ordenadores cuánticos ya disponibles en la actualidad y establecer un procedimiento para comparar los resultados de simulaciones cuánticas con las propiedades de ruido de los dispositivos experimentales. La investigación representa la primera simulación digital completamente cuántica de efectos colectivos disipativos en un ordenador cuántico.

El estudio, publicado en la prestigiosa revista PRX Quantum, consistió en simular la dinámica de los sistemas cuánticos con la dimensión más pequeña posible y que suponen la base de la computación cuántica: los qubits. Simulando un baño global entre dos qubits, los investigadores pudieron comprobar cómo sus emisiones interfieren, tanto de manera constructiva (superradiancia) como destructiva (subradiancia). Estos dos qubits forman un sistema cuántico estructurado cuya dinámica es "abierta" y "colectiva". Los investigadores también estudiaron de forma teórica y experimental las propiedades del ruido  y establecieron relaciones entre sus características y la precisión de la simulación. Los ordenadores cuánticos actuales son inevitablemente ruidosos, limitados por tiempos de coherencia cortos. Esto significa que existen fuertes restricciones a la profundidad de los circuitos cuánticos que se pueden implementar.

El concepto detrás de la simulación cuántica se basa en la idea de simular sistemas cuánticos en una plataforma física controlable y cuya dinámica esté dirigida por las leyes de la mecánica cuántica. Esto permite explorar y obtener soluciones de dinámicas cuánticas que de otro modo serían imposibles de obtener en un ordenador clásico. Controlar estas  simulaciones cuánticas es crucial para comprender las propiedades del ruido en los ordenadores cuánticos reales y explorar fenómenos actuales como las transiciones de fase cuánticas disipativas, la sincronización cuántica o los cristales temporales disipativos. Además, caracterizar el ruido de los ordenadores cuánticos puede ayudar a comprender las limitaciones de los dispositivos y, por tanto, a diseñar posibles contramedidas.


Imagen: Esquema del sistema simulado. Un generador de partículas (gris) hace colisionar una partícula con el qubit Q1 (verde), luego con el Q2 (rojo) y de nuevo con el Q1. Estos choques generan una interacción global representada con la nube (azul).


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.


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