Un procesador de audio cuántico programable y escalable basado en iones atrapados

Los sistemas de computación cuántica tienen el potencial de superar a las computadoras tradicionales en algunas tareas, ayudando a resolver problemas complejos del mundo real en tiempos más cortos. Y así, los equipos de investigación de todo el mundo están tratando de lograr esta ventaja cuántica sobre las computadoras convencionales, creando y probando diferentes sistemas cuánticos.

Investigadores de la Universidad de Tsinghua han desarrollado recientemente un nuevo procesador acústico cuántico programable con iones atrapados. Este asistente, presentado en una hoja en física de la naturalezapuede ser más fácil de escalar que otros procesadores cuánticos ópticos propuestos anteriormente, lo que en última instancia podría permitir un mejor rendimiento en problemas complejos.

Originalmente, estábamos interesados Propuesta de Scott Aronson y otros sobre el muestreo de bosones, que puede mostrar las ventajas cuánticas de la óptica lineal simple y los fotones, dijo a Phys.org Kihwan Kim, uno de los investigadores que realizó el estudio. «Nos preguntábamos si esto podría lograrse mediante el uso de fonones para atrapar el sistema de iones».

El uso de fonones (es decir, ondas de sonido o vibraciones elementales) para crear sistemas de computación cuántica se ha explorado en teoría durante algún tiempo. Sin embargo, en los últimos años, los físicos de sistemas de iones atrapados han creado la tecnología para usar fonones como fuente para el procesamiento de información cuántica, en lugar de simples mediadores del entrelazamiento de qubits.

«Se ha demostrado que los fonones con un potencial armónico pueden transferirse coherentemente a otros potenciales armónicos y estos fonones pueden interferir entre sí», explicó Kihwan Kim. «Cuando supimos que el muestreo de bosones modificados (muestreo de bosones gaussianos) también podría aplicarse a un problema químico (como el muestreo vibracional), mostramos el muestreo SO₂ moléculas y desarrolló un método para crear un estado acústico altamente entrelazado; Sin embargo, esto se limitó a un ion. En este trabajo, finalmente implementamos la red acústica de forma escalable, yendo más allá de las limitaciones de los iones individuales. »

El sistema creado por Kihwan Kim y sus colegas es una red de bosones programables, que es una red que consta de un conjunto de modos de bosones, conectados entre sí a través de divisores de haz controlables. Realizan esta red utilizando fonones, excitaciones de patrones vibratorios colectivos que también son bosones.

«Nuestro sistema es escalable porque la cantidad de modos de vibración colectivos aumenta proporcionalmente a la cantidad de iones y hemos demostrado cómo usar modos de vibración e iones adicionales de forma programable», dijo Kihwan Kim. «Esencialmente, controlamos el modo de vibración con un qubit personalizado adecuadamente. Podemos programar la fase y la proporción de cada divisor de haz controlando la fase y la duración de los rayos láser dirigidos individualmente».

El procesador acústico cuántico ideado por Kihwan Kim y sus colegas tiene varias ventajas sobre las redes bosónicas propuestas anteriormente. Primero, los fonones de entrada y salida en el procesador se preparan y detectan críticamente. Además, la pérdida de fonones a lo largo del tiempo es muy pequeña, mientras que en otras redes bosonianas basadas en pérdidas de fotones es un problema a superar.

«El muestreo bosónico puede ser una herramienta poderosa para ciertas tareas en simulaciones y algoritmos cuánticos», dijo a Phys.org Myungshik Kim, otro investigador del Imperial College que participó en el estudio. «Si bien el muestreo de bosones se ha logrado principalmente mediante fotones, existen dificultades técnicas para lograr un muestreo de bosones escalable porque la generación de fotones individuales es probabilística y la pérdida de fotones en un chip es alta. En nuestro trabajo, usamos fonones para iones en un potencial armónico en lugar de fotones». Las ventajas obvias de esto es que podemos crear de manera determinista estados cuánticos de fonones y no perder los fonones en el proceso».

El muestreo bosónico es un paradigma de computación cuántica que puede ser muy útil para abordar algunas tareas con algoritmos o simulaciones cuánticas. El muestreo bosónico generalmente se realiza utilizando varias técnicas distintas.

Kihwan Kim, Myungshik Kim y sus colegas pudieron implementar todas estas tecnologías en una sola plataforma, lo que podría tener ventajas notables para desarrollar sistemas más grandes. Esto se logró reconstruyendo los estados de los fonones en su red.

En el futuro, la red acústica que crearon podría ampliarse para lograr un muestreo de bosones programable a gran escala. Además, su trabajo podría inspirar el desarrollo de otras redes cuánticas programables basadas en fonones e iones atrapados.

«Ahora, es importante para nosotros ampliar nuestro sistema y esperamos usarlo para demostrar la ventaja cuántica sobre la computación clásica», agregó Kim. «Al mismo tiempo, también podemos intentar lograr un cálculo cuántico global variable continuo utilizando un divisor de haz controlado por qubit».