By kenna hughes-castleberry publicado el 24 de noviembre de 2022
Por su fragilidad y susceptibilidad al ruido, computadoras cuánticas todavía tienen un largo camino por recorrer antes de que puedan ser más ampliamente utilizados. Uno de los principales retos en el desarrollo de esta tecnología tiene que ver con su arquitectura. Como ya han descubierto muchos ingenieros, la qubits dentro de la computadora cuántica actúan como una unidad de memoria y una unidad de computación al mismo tiempo. Esto crea límites en lo que puede hacer la tecnología, ya que las memorias cuánticas no se pueden copiar y, por lo tanto, no se pueden almacenar en una computadora clásica. Debido a esta limitación, muchos desarrolladores cuánticos postulan que los qubits en una computadora cuántica tienen que interactuar mejor entre sí para poder compartir la información de la memoria. Una nueva investigación de la universidad de Innsbruck sugiere una nueva arquitectura para una computadora cuántica. Esta arquitectura, denominada arquitectura LHZ en honor a los investigadores Wolfgang Lechner, Phillip Hauke y Peter Zoller, está diseñada específicamente para la optimización, pero también puede realizar operaciones de paridad y corrección de errores. La arquitectura permite que estos procesos sucedan ya que los qubits físicos están codificados para la coordinación entre bits en lugar de para los qubits reales.
“La arquitectura LHZ es una arquitectura cuántica que nos permite codificar problemas de optimización para una computadora cuántica de una manera que no requiere interacciones difíciles de largo alcance al resolverlos”, explicó Ph.D. investigador Michael Fellner del grupo de investigación de Lechner. “Esto es diferente de los enfoques convencionales que a menudo requieren una gran sobrecarga en los recursos de la puerta para estas interacciones. Para reducir esta sobrecarga, la arquitectura implementada se empareja significativamente. Esto permite que la arquitectura LHZ realice procesos de paridad. “En lugar de codificar cada variable de bit directamente en un bit cuántico (qubit), los qubits en la arquitectura LHZ representan la diferencia (“paridad”) entre dos o más viables, lo que simplifica la implementación de ciertos algoritmos cuánticos”, agregó Fellner. Al codificar los qubits con esta paridad, la cantidad de qubits necesarios para la computación cuántica disminuye, lo que permite un método más fácil para la escalabilidad y las implementaciones e incluso sugiere una posible forma de hacer que estas máquinas sean más móviles.
La búsqueda de la paridad
La idea de paridad en una computadora cuántica no es realmente nuevo. Como explicó Fellner: “Las computadoras cuánticas existentes ya implementan muy bien tales operaciones a pequeña escala. Sin embargo, a medida que aumenta la cantidad de qubits, se vuelve cada vez más complejo implementar estas operaciones de puerta”. Al diseñar la arquitectura LHZ, los investigadores de Innsbruck planearon este posible problema al programar sus qubits de una manera diferente a una computadora cuántica típica. “Al explotar el hecho de que los qubits en Parity Architecture codifican la parte relativa de múltiples qubits 'estándar', puede implementar algunas operaciones cuánticas de una manera más simple”, agregó Fellner. “En nuestro trabajo reciente, hemos demostrado que es posible construir un conjunto de puertas que sea universal, es decir, que permita implementar cualquier algoritmo”. Este tipo de computadora cuántica universal sugiere grandes implicaciones para la industria de la computación cuántica y puede ayudar a acelerar su desarrollo. "Además de eso", afirmó Fellner, "uno puede explotar la sobrecarga en la cantidad de qubits para detectar y corregir errores cuánticos que puedan ocurrir durante el cálculo".
Uso de la arquitectura LHZ para mitigar la corrección de errores
Debido a su susceptibilidad al ruido, las computadoras cuánticas pueden volverse bastante propensas a errores. Se están probando varios métodos diferentes para mitigar la corrección de errores y los investigadores de Innsbruck creen que la arquitectura LHZ puede ayudar con este proceso. “Los errores cuánticos se pueden clasificar en dos tipos, los llamados errores de cambio de bits y errores de cambio de fase”, afirmó Fellner. La arquitectura LHZ está diseñada para corregir ambos. El hardware utilizado evita un tipo de error (ya sea bit flip o error de fase), agregaron los investigadores de Innsbruck Annette Messinger y Killian Ender. “El otro tipo de error se puede detectar y corregir a través del software”. Con un método robusto para la corrección de errores y escalabilidad, no será una sorpresa ver que la arquitectura LHZ comience a implementarse.
Ya la empresa spin-off cofundada por Lechner y Magdalena Hauser, llamada ParidadQC, está trabajando con investigadores de Innsbruck y otros lugares para probar y utilizar esta nueva arquitectura.
Kenna Hughes-Castleberry es redactora de Inside Quantum Technology y comunicadora científica en JILA (una asociación entre la Universidad de Colorado Boulder y el NIST). Sus ritmos de escritura incluyen tecnología profunda, metaverso y tecnología cuántica.