Un nuevo artículo de investigación realizado por IBM Quantum y UC Berkeley demuestra exitosamente algunos de los circuitos cuánticos más grandes jamás ejecutados en una computadora cuántica. Soy Andrew Eddins, investigador de IBM Quantum y coautor del artículo. Y en este artículo, hablaremos sobre lo que hicimos en este experimento, cómo lo hicimos y, en particular, por qué la mitigación de errores cuánticos está lista para desempeñar un papel tan importante en la computación cuántica a corto plazo.
Índice
Experimento y resultados
En este experimento, utilizamos un procesador de 127 qubits para ejecutar una simulación de 127 espines interactivos, con cada qubit desempeñando el papel de un espín. Para lograr esto, ejecutamos un circuito cuántico con hasta 60 capas de puertas CNOT de dos qubits. Y sorprendentemente, pudimos obtener resultados confiables al final del circuito, lo cual es un progreso emocionante ya que hace apenas un año comenzamos a poder ejecutar circuitos con 100 qubits. Además, el número de puertas en estas 60 capas, es aproximadamente el doble de nuestro récord anterior reportado el año pasado en IBM Quantum Summit en el 2023.
Importancia de la mitigación de errores cuánticos
Aunque las computadoras cuánticas de hoy no son perfectas y presentan algo de ruido en el hardware, todavía podemos obtener resultados útiles utilizando una clase de técnicas conocidas como mitigación de errores cuánticos. Esto nos brinda la oportunidad de comenzar a explorar lo que podemos hacer con estos dispositivos incluso antes de la era de la tolerancia a fallos y la computación cuántica a largo plazo. En este experimento, utilizamos una técnica conocida como Extrapolación de Cero Ruido (Zero Noise Extrapolation, ZNE).
El método ZNE
El método ZNE funciona de la siguiente manera: primero, ejecutamos nuestro circuito y obtenemos una estimación de la propiedad observable que queremos estudiar. Queremos aprender sobre alguna propiedad observable, O, y nos interesa en particular el valor promedio o el valor esperado de esa propiedad. Ejecutamos nuestro experimento y obtenemos algunos resultados. Sin embargo, estos resultados pueden ser inexactos debido al ruido presente en el hardware cuántico. Idealmente, nos gustaría obtener una estimación de cuál sería la respuesta si resolvemos este problema sin ningún ruido.
Entonces, ¿cómo corregimos esta inexactitud causada por el ruido en el hardware? Bueno, primero aprenderemos qué es exactamente lo que está haciendo el ruido y cómo se comporta en el dispositivo. Tomamos el problema que estamos estudiando y lo dividimos en capas, y luego para cada capa lo descomponemos en dos partes: una que captura el comportamiento ideal de esa capa y otra que representa el ruido. Realizando un poco de trabajo adicional, podemos medir cómo se comportan todas estas partes de ruido en el circuito. Y una vez que tenemos esa información, aunque es difícil reducir el nivel de ruido que ocurre en el hardware, podemos utilizar ese conocimiento para aumentarlo. Repitiendo el experimento en condiciones donde aumentamos el ruido, podemos obtener resultados adicionales que podemos utilizar para extrapolar y estimar el valor real en el caso de no tener ruido en el hardware.
Detalles del experimento
Ahora, mi colega y coautor, Youngseok Kim, investigador de IBM Quantum, nos dará más detalles sobre lo que hicimos en este experimento.
Gracias, Andrew. En este experimento, realizamos un estudio de la dinámica de espines del modelo Ising de campo transversal. Trabajamos con nuestro procesador cuántico de 127 qubits y colaboramos con investigadores de UC Berkeley, quienes produjeron resultados correspondientes en una computadora clásica para comparar nuestros resultados y generar confianza en nuestro método. Utilizamos ZNE como nuestro método de mitigación de errores. Mapeamos nuestra red de espines a nuestra topología de hardware, que es una topología hexagonal pesada.
La dinámica de los espines está gobernada por la interacción de vecinos más cercanos j y el campo transversal global h. Tenemos un gran espacio de parámetros para explorar. Dentro de este espacio de parámetros, tenemos algunos parámetros que resultan en un circuito de Clifford, lo que significa que podemos simular eficientemente este circuito y obtener un valor ideal. Utilizamos esta propiedad para examinar nuestros resultados. Realizamos experimentos con un circuito de 127 qubits y una profundidad de 60 puertas de dos qubits. A lo largo del proceso, comparamos nuestros resultados con la solución exacta y observamos un acuerdo razonable.
Además, examinamos observables de mayor peso, que involucran a más qubits dentro de su cono de luz. Para esto, nuestros colaboradores utilizaron métodos de aproximación numérica, específicamente el método de red tensorial, para obtener una solución exacta. Nuevamente, comparamos su solución con nuestros resultados de la computadora cuántica y encontramos un acuerdo razonable. Estos pasos nos permitieron obtener una mayor confianza en nuestro método, aunque algunos de los circuitos no se pueden verificar en este momento.
Conclusiones
Mirando hacia el futuro, creemos que algunos investigadores encontrarán la manera de verificar los circuitos actualmente no verificables, lo cual es un avance importante, ya que demuestra cómo la computación cuántica está impulsando la innovación en la computación clásica. A medida que la tecnología de hardware avanza y nuestros sistemas se vuelven cada vez mejores, tendremos acceso a circuitos más grandes y profundos. Creemos que este tipo de investigación nos acerca un paso más a un día en el que una computadora cuántica pueda abordar problemas realmente útiles. Espero que te haya gustado este artículo. Asegúrate de darle «me gusta» y compartirlo. Gracias por tu tiempo.
Tabla de resumen
| Experimento | Detalles |
|---|---|
| Tipo de circuito | Circuito de 127 qubits con 60 capas de puertas CNOT de dos qubits |
| Método de mitigación de errores | Extrapolación de Cero Ruido (ZNE) |
| Resultados | Soluciones confiables obtenidas incluso con ruido en el hardware |
Preguntas frecuentes
1. ¿Qué es la mitigación de errores cuánticos?
La mitigación de errores cuánticos es un conjunto de técnicas utilizadas para obtener resultados confiables en computadoras cuánticas, a pesar del ruido presente en el hardware.
2. ¿Cuál fue el tamaño del circuito utilizado en el experimento?
El circuito utilizado consistió en 127 qubits y 60 capas de puertas CNOT de dos qubits, lo que resultó en uno de los circuitos cuánticos más grandes ejecutados hasta ahora.
3. ¿Qué técnica se utilizó en el experimento para corregir las inexactitudes causadas por el ruido en el hardware?
En el experimento, se utilizó una técnica llamada Extrapolación de Cero Ruido (ZNE) para corregir las inexactitudes causadas por el ruido en el hardware.
4. ¿Cómo se verificaron los resultados obtenidos de la computadora cuántica?
Los resultados obtenidos de la computadora cuántica se verificaron comparándolos con soluciones exactas obtenidas a través de métodos numéricos en una computadora clásica.
5. ¿Qué avances podría traer este tipo de investigaciones en cuanto a la computación cuántica?
Estas investigaciones nos acercan a un futuro en el que las computadoras cuánticas podrán abordar problemas realmente útiles. Además, están impulsando la innovación en la computación clásica al desarrollar técnicas de verificación para circuitos cuánticos.
Espero que hayas encontrado este artículo interesante y educativo. Si deseas obtener más información sobre este tema, asegúrate de consultar nuestros artículos relacionados. ¡Gracias por tu tiempo!
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