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Dos artículos publicados hoy en la revista científica Nature describen cómo equipos de investigación separados, uno que incluye investigadores de Sandia, utilizaron una técnica de Sandia llamada tomografía de conjunto de puertas para desarrollar y validar procesadores cuánticos altamente confiables. Sandia ha estado desarrollando tomografía de conjunto de puerta desde 2012, con fondos de la Oficina de Ciencias del DOE a través del programa de Investigación Científica Informática Avanzada.
Los científicos de Sandia colaboraron con investigadores australianos de la Universidad de Nueva Gales del Sur en Sydney, dirigidos por el profesor Andrea Morello, para publicar uno de los artículos de hoy. Juntos, utilizaron GST para demostrar que un sistema sofisticado de tres qubits que comprende dos núcleos atómicos y un electrón en un chip de silicio podría manipularse de manera confiable con una precisión superior al 99%.
En otro artículo de Nature que aparece hoy, un grupo dirigido por el profesor Lieven Vandersypen de la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos utilizó tomografía de conjunto de puerta, implementada con el software Sandia, para demostrar el importante hito de más del 99% de precisión pero con un enfoque diferente, controlando electrones atrapados dentro de puntos cuánticos en lugar de núcleos atómicos aislados.
"Queremos que los investigadores de todo el mundo sepan que tienen acceso a una herramienta poderosa y de vanguardia que los ayudará a lograr sus avances", dijo el científico de Sandia, Robin Blume-Kohout.
Los futuros procesadores cuánticos con muchos más qubits, o bits cuánticos, podrían permitir a los usuarios que trabajan en la seguridad nacional, la ciencia y la industria realizar algunas tareas más rápido que con una computadora convencional. Pero las fallas en los controles del sistema actual causan errores de cálculo. Una computadora cuántica puede corregir algunos errores, pero cuantos más errores debe corregir, más grande y costosa se vuelve la construcción de la computadora.
Por lo tanto, los científicos necesitan herramientas de diagnóstico para calcular con qué precisión pueden controlar átomos individuales y electrones que almacenan cúbits y aprender a prevenir errores en lugar de corregirlos. Esto aumenta la confiabilidad de su sistema y mantiene bajos los costos.
La tomografía de conjunto de puertas es la técnica insignia de Sandia para medir el rendimiento de los qubits y las operaciones de lógica cuántica, también conocidas como "puertas". Combina los resultados de muchos tipos de mediciones para generar un informe detallado que describe cada error que ocurre en los qubits. Los científicos experimentales como Morello pueden usar los resultados del diagnóstico para deducir lo que necesitan arreglar.
"El Laboratorio de Rendimiento Cuántico de los Laboratorios Nacionales Sandia, dirigido por Robin Blume-Kohout, ha desarrollado el método más preciso para identificar la naturaleza de los errores que ocurren en una computadora cuántica", dijo Morello.
La tomografía de Gate Set incluso detecta un error inesperado
El equipo de Sandia mantiene un software GST gratuito y de código abierto llamado pyGSTi (pronunciado "pigsty", que significa Implementación de tomografía de Python Gate Set). Disponible públicamente en http://www.pygsti.info , fue utilizado por ambos grupos de investigación que publican hoy en Nature.
Mientras que el equipo de Delft usó el software pyGSTi sin la ayuda del equipo de Sandia, la colaboración UNSW-Sandia usó una nueva forma personalizada de tomografía de conjunto de puerta desarrollada por los investigadores de Sandia. Las nuevas técnicas permitieron al equipo descartar más posibles modos de error y centrarse en unos pocos mecanismos de error dominantes.
Pero cuando el equipo de Sandia estudió el análisis GST de los datos experimentales de la UNSW, descubrieron un tipo de error sorprendente que el grupo de Morello no esperaba. Los qubits de espín nuclear estaban interactuando cuando deberían haber estado aislados. Preocupado de que este error pudiera indicar una falla en los qubits, el equipo recurrió a Andrew Baczewski de Sandia, un experto en física de qubits de silicio e investigador del Quantum Systems Accelerator, un Centro Nacional de Investigación de Ciencias de la Información Cuántica, para ayudar a encontrar su fuente.
"Llegó a ocupar gran parte de mi tiempo libre", dijo Baczewski. "Salía a caminar un sábado por la mañana y, de la nada, se me ocurría algo y corría a casa y hacía matemáticas durante una hora".
Eventualmente, Baczewski y el resto del equipo rastrearon el error hasta un generador de señal que estaba filtrando microondas al sistema. Esto se puede solucionar fácilmente en futuros experimentos, ahora que se conoce la causa.
Blume-Kohout dijo: "Fue realmente gratificante ver la confirmación de que GST incluso detectó los errores que nadie esperaba".
"La colaboración con Sandia National Laboratories ha sido crucial para lograr el hito de las operaciones cuánticas de alta fidelidad en silicio", dijo Morello. "Los métodos teóricos y computacionales desarrollados en Sandia han permitido la demostración rigurosa de la computación cuántica con una fidelidad superior al 99 % y han brindado información valiosa sobre las causas microscópicas de los errores residuales. Planeamos expandir esta colaboración estratégica en los próximos años".
Fuente y acceso al trabajo de investigación:
Mateusz T. Mądzik, Serwan Asaad, Akram Youssry, Benjamin Joecker, Kenneth M. Rudinger, Erik Nielsen, Kevin C. Young, Timothy J. Proctor, Andrew D. Baczewski, Arne Laucht, Vivien Schmitt, Fay E. Hudson, Kohei M Itoh, Alexander M. Jakob, Brett C. Johnson, David N. Jamieson, Andrew S. Dzurak, Christopher Ferrie, Robin Blume-Kohout, Andrea Morello. Tomografía de precisión de un procesador cuántico donante de tres qubits en silicio . Naturaleza , 2022; 601 (7893): 348 DOI: 10.1038/s41586-021-04292-7
Xiao Xue, Maximilian Russ, Nodar Samkharadze, Brennan Undseth, Amir Sammak, Giordano Scappucci, Lieven MK Vandersypen. Lógica cuántica con qubits de espín que cruzan el umbral del código de superficie . Naturaleza , 2022; 601 (7893): 343 DOI: 10.1038/s41586-021-04273-w