Los experimentos demuestran que los errores de computación cuántica están relacionados con los rayos cósmicos

La investigación de los físicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) y un grupo de colaboradores arroja nueva luz sobre un desafío importante para hacer realidad la promesa y el potencial de Estadística cuantitativa – Corregir errores.

En un nuevo artículo publicado en naturaleza temperamental En coautoría con el físico de LLNL Jonathan Dubois, los científicos examinaron la estabilidad de la computación cuántica, particularmente qué causa los errores y cómo los circuitos cuánticos interactúan con ellos. Esto debe entenderse para construir un sistema cuántico eficiente. Otros coautores incluyeron investigadores de la Universidad de Wisconsin-Madison, el Laboratorio Nacional Acelerado Fermi, Google, la Universidad de Stanford y universidades internacionales.

En experimentos realizados en UW-Madison, el equipo de investigación caracterizó un dispositivo de prueba cuántica y descubrió que las fluctuaciones en la carga eléctrica de muchos qubits cuánticos, o «qubits», la unidad básica de una computadora cuántica, pueden tener una correlación significativa, a diferencia de aleatorio e independiente completamente. Los investigadores encontraron que cuando ocurre un evento disruptivo, como un estallido de energía desde fuera del sistema, puede afectar a cada qubit en la vecindad del evento simultáneamente, lo que resulta en fallas correlacionadas que pueden abarcar todo el sistema. Además, el equipo vinculó pequeñas perturbaciones que causan errores en el estado de la carga de un qubit con la absorción de rayos cósmicos, un hallazgo que ya afecta la forma en que se diseñan las computadoras cuánticas.

«En su mayor parte, los esquemas diseñados para corregir errores en computadoras cuánticas asumen que los errores entre qubits no están correlacionados, son aleatorios. Es muy difícil corregir los errores correlacionados», dijo el coautor DuBois, quien dirige Quantum Coherent Device Physics ( QCDP) en LLNL. Esencialmente, lo que muestra este documento es que si un rayo cósmico de alta energía golpea el dispositivo en alguna parte, probablemente afectará todo en el dispositivo a la vez. A menos que pueda evitar que esto suceda, no podrá realizar la depuración de manera eficiente y no podrá crear un sistema que funcione sin ella «.

A diferencia de los qubits que se encuentran en las computadoras clásicas, que solo pueden existir en estados binarios, ceros o unos, los qubits que componen una computadora cuántica pueden existir en estados de superposición. Durante unos cientos de microsegundos, los datos en qubits pueden ser uno o cero antes de pasar a un estado binario clásico. Mientras que los qubits solo son susceptibles a un tipo de error, bajo el estado de carga excitado temporal, los qubits sensibles son susceptibles a dos tipos de error, que surgen de cambios que pueden ocurrir en el medio ambiente.

Los pulsos cargados, incluso los pulsos diminutos como los de los rayos cósmicos absorbidos por el sistema, pueden crear una explosión (relativista) de electrones de alta energía que pueden calentar el sustrato de un dispositivo cuántico el tiempo suficiente para desactivar los qubits e interrumpir sus estados cuánticos, el los investigadores encontraron. Cuando ocurre una colisión de partículas, resulta en el despertar de electrones en el dispositivo. Estas partículas cargadas magnifican los materiales en el dispositivo, dispersando los átomos y produciendo vibraciones y calor de alta energía. Dubois explicó que esto cambia el campo eléctrico, así como el entorno térmico y vibratorio alrededor de los qubits, lo que conduce a errores.

«Siempre hemos sabido que este era un efecto posible y potencial, una de las muchas influencias que pueden influir en el comportamiento de qubit», agregó Dubois. «Incluso bromeamos cuando vimos un rendimiento deficiente posiblemente debido a los rayos cósmicos. La importancia de esta investigación es que, dado este tipo de arquitectura, pone algunos límites cuantitativos sobre lo que se puede esperar en términos de rendimiento para los diseños de dispositivos actuales en presencia de la radiación ambiental «.

Para ver las perturbaciones, los investigadores enviaron señales de radiofrecuencia a un sistema de cuatro qubits, y al medir el espectro de excitación y realizar una espectroscopia en él, pudieron ver los qubits «cambiar» de un estado cuántico a otro, notando que todos se convierten en energía al mismo tiempo, en respuesta a los cambios en el entorno de carga.

«Si nuestro modelo sobre los efectos de las partículas es correcto, esperaríamos que la mayor parte de la energía se convirtiera en vibraciones en el chip que se propagan a largas distancias», dijo Chris Wellen, estudiante de posgrado de la Universidad de Wisconsin-Madison, autor principal del trabajo de investigación. «A medida que la energía se propaga, la perturbación podría conducir a fluctuaciones de qubit que se correlacionan en todo el chip».

Usando este método, los investigadores también examinaron la vida útil de los qubits (el tiempo que los qubits pueden permanecer en un estado de superposición de uno-cero) y los cambios asociados en el estado de carga con una disminución en la vida útil de todos los qubits en el sistema. .

El equipo concluyó que la corrección de errores cuánticos requerirá el desarrollo de estrategias de mitigación para proteger los sistemas cuánticos de los errores asociados con los rayos cósmicos y otros efectos de partículas.

«Creo que la gente se ha acercado al problema de la corrección de errores de una manera demasiado optimista, asumiendo ciegamente que los errores no están correlacionados», dijo Robert McDermott, profesor de física en la Universidad de Wisconsin-Madison y autor principal del estudio. «Nuestras experiencias muestran plenamente que los errores están interconectados, pero a medida que identificamos los problemas y desarrollamos una comprensión física profunda, encontraremos formas de superarlos».

Aunque la teoría era larga, Dubois dijo que los resultados del equipo nunca antes se habían probado experimentalmente en un dispositivo de varios qubit. Es probable que los resultados influyan en la arquitectura de un sistema cuántico en el futuro, como colocar computadoras cuánticas detrás de escudos a prueba de balas o subterráneos, introducir disipadores de calor o amortiguadores para absorber energía rápidamente y aislar qubits, y cambiar los tipos de materiales utilizados en los sistemas cuánticos.

LLNL actualmente tiene un archivo sistema de prueba de computación cuánticaFue diseñado y construido con fondos de una iniciativa estratégica para Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio (LDRD) que comenzó en 2016. Se está desarrollando con el apoyo continuo del Programa de Computación Avanzada y Simulación de la Administración Nacional de Seguridad Nuclear y su proyecto de ley Beyond Moore.

En un trabajo de seguimiento relacionado, Dubois y su equipo en el grupo QCDP están estudiando un dispositivo cuántico que es menos sensible al entorno de carga. A las temperaturas extremadamente frías requeridas por las computadoras cuánticas (los sistemas se mantienen a temperaturas más frías que el espacio exterior), Dubois dijo que los investigadores señalan que la transferencia de energía térmica y coherente es cualitativamente diferente de la temperatura ambiente. Por ejemplo, en lugar de propagarse, la energía térmica puede rebotar en el sistema como ondas de sonido.

Dubois dijo que él y su equipo están enfocados en comprender la dinámica de la «explosión microscópica» que ocurre dentro de los dispositivos de computación cuántica cuando interactúan con partículas de alta energía y en desarrollar formas de absorber energía antes de que puedan alterar los delicados estados cuánticos almacenados en el dispositivo. .

“Hay formas potenciales de diseñar el sistema para que sea lo más insensible posible a este tipo de eventos, y para hacer eso, debe tener una muy buena comprensión de cómo se calienta, cómo se enfría y qué sucede exactamente a lo largo de todo el proceso. cuando se expone a la radiación de fondo ”, dijo Dubois. «La física de lo que está sucediendo es muy interesante. Es un límite, incluso aparte de las aplicaciones cuánticas, debido a la anomalía de cómo se transfiere la energía a esas bajas temperaturas. Lo convierte en un desafío físico».

DuBois estaba trabajando con el investigador principal del artículo, McDermott (UW-Madison) y su grupo para desarrollar métodos para usar qubits como detectores para medir el sesgo de carga, que es el método que el equipo utilizó en el artículo para realizar sus experimentos.

Referencia: «Ruido relacionado con la carga y errores de relajación en qubits superconductores» por C. Wilen, S. Abdullah, NA Kurinsky, C. Stanford, L. Cardani, G. D’Imperio, C. Tomei, L. Faoro, LB Ioffe , CH Liu, A. Obremcack, B. J. Christensen, J. L. Dubois, R .; McDermott, 16 de junio de 2021 Disponible aquí. naturaleza temperamental.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03557-5

El trabajo destacado, incluida una contribución de DuBois, fue financiado por una subvención colaborativa entre LLNL y UW-Madison de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU.

El artículo incluyó a coautores de UW-Madison, el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi y el Instituto Kavli de Física Cósmica en Universidad de Chicago, Universidad de Stanford, INFN Sezione di Roma, Laboratorio de Física Teórica y de Altas Energías de la Universidad de la Sorbona y Google.