Investigadores de la Universidad de Cornell han descubierto un estado de "vidrio de espín cuántico" en la computación cuántica, lo que proporciona información sobre la corrección de errores y revela instrucciones ocultas en los algoritmos cuánticos, lo que podría conducir a nuevas clasificaciones de estados cuánticos y avances en la computación cuántica.

A nivel microscópico, el vidrio de ventana exhibe una curiosa combinación de propiedades. Sus átomos están desordenados como un líquido, pero tienen la rigidez de un sólido; Cuando se aplica una fuerza a un átomo, afecta a todos los demás átomos. Los físicos utilizan esta metáfora para describir un estado cuántico conocido como "vidrio de espín cuántico", en el que los bits de la mecánica cuántica (qubits) de las computadoras cuánticas exhiben tanto desorden (que tienen valores aparentemente aleatorios) como rigidez (cuando un qubit gira, también lo hacen todos los demás qubits). Un equipo de investigadores de la Universidad de Cornell descubrió accidentalmente la existencia de este estado cuántico mientras trabajaba en un proyecto de investigación destinado a comprender mejor los algoritmos cuánticos y las nuevas estrategias relacionadas para la corrección de errores en la computación cuántica.

"La medición de la posición de una partícula cuántica cambia su impulso, y viceversa. De manera similar, para los qubits, hay cantidades que cambian entre sí cuando se miden. Descubrimos que ciertas secuencias aleatorias de estas mediciones incompatibles pueden conducir a la formación de vidrio de espín cuántico", dijo Erich Mueller, profesor de física en la Facultad de Artes y Ciencias (A&S) de la Universidad de Cornell. "Una implicación de nuestro trabajo es que ciertos tipos de información están protegidos automáticamente en algoritmos cuánticos que comparten características con nuestro modelo".

La investigación fue publicada recientemente en Physical Review B. El primer autor es Vaibhav Sharma, Ph.D. estudiante de fisica.

Chaoming Jian, profesor asistente de física, es coautor con Mueller. Los tres participan en investigaciones en el Laboratorio de Física Atómica y del Estado Sólido (LASSP) de la Universidad de Cornell. Esta investigación fue financiada por una subvención del Fondo Nuevas Fronteras de la Facultad de Artes y Ciencias.

"Estamos tratando de comprender las características universales de los algoritmos cuánticos, características que trascienden cualquier algoritmo en particular", dijo Sharma. "Nuestra estrategia para descubrir estas características universales es estudiar algoritmos estocásticos. Descubrimos que ciertas clases de algoritmos conducen a un orden oculto de 'vidrio giratorio'. Ahora estamos buscando otras formas de orden oculto y creemos que esto nos dará una nueva taxonomía de estados cuánticos".

Un algoritmo aleatorio es aquel que incorpora cierto grado de aleatoriedad como parte del algoritmo; por ejemplo, utiliza números aleatorios para decidir qué hacer a continuación.

Avances en la corrección de errores cuánticos

La propuesta de subvención New Frontiers 2021 de Mueller, "Corrección de errores del subsistema cuántico autónomo", tiene como objetivo simplificar la arquitectura de la computadora cuántica mediante el desarrollo de una nueva estrategia para corregir los errores del procesador cuántico causados ​​por el ruido ambiental, cualquier cosa como rayos cósmicos o campos magnéticos que interfieran con los qubits de una computadora cuántica, corrompiendo la información.

Mueller dijo que los bits de los sistemas informáticos clásicos están protegidos por códigos de corrección de errores; la información se copia para que, si un poco "cambia", puedas detectarlo y corregir el error. "Para que la computación cuántica funcione ahora y en el futuro, necesitamos encontrar formas de proteger los qubits de la misma manera. La clave para la corrección de errores es la redundancia. Si envío tres copias de un bit, puedes saber si hay un error comparando los bits entre sí. Tomamos prestado el lenguaje de la criptografía para hablar de esta estrategia y llamamos 'cifrados' a conjuntos repetidos de bits".

Cuando Muller y su equipo descubrieron el orden del cristal giratorio, estaban trabajando en un enfoque general para utilizar múltiples palabras codificadas para representar la misma información. Por ejemplo, en un código de subsistema, el bit "1" se puede almacenar de 4 maneras diferentes: 111, 100, 101 y 001. Los grados de libertad adicionales en el código del subsistema cuántico simplifican el proceso de detección y corrección de errores.

Los investigadores enfatizaron que cuando comenzaron este estudio, no estaban simplemente tratando de generar un mejor esquema de protección contra errores. En cambio, están estudiando algoritmos estocásticos para comprender las propiedades generales de todos esos algoritmos.

"Curiosamente, encontramos estructuras extraordinarias", afirmó Müller. "Lo más sorprendente es la presencia de este orden de cristal giratorio, lo que sugiere que hay información adicional oculta flotando que de alguna manera debería usarse en los cálculos, aunque aún no sabemos cómo".

Referencia Vaibhav Sharma, Chao-Ming Jian y Erich J. Mueller, 31 de julio de 2023, Physical Review B, "Simetría del subsistema, orden del vidrio giratorio y criticidad de las mediciones estocásticas en circuitos bidimensionales de Beken-Shaw".

DOI:10.1103/PhysRevB.108.024205

Fuente compilada: ScitechDaily