Ordenadores cuánticos analógicos de 51 y 53 cúbits para estudiar transiciones de fase en el modelo de Ising

Por Francisco R. Villatoro, el 29 noviembre, 2017. Categoría(s): Ciencia • Computación cuántica • Física • Nature • Noticias • Physics • Science ✎ 4

Dibujo20171129 Experimental platform 51-atom quantum simulator nature24622-f1

Richard Feynman propuso en 1982 el ordenador cuántico para simular sistemas cuánticos. Para esta aplicación lo ideal es un ordenador cuántico analógico. Se publican en Nature dos ordenadores cuánticos analógicos programables que simulan sendos sistemas cuánticos de espines tipo Ising. Uno tiene 51 cúbits implementados con átomos de rubidio-87 en estados de Rydberg y el otro tiene 53 cúbits implementados con iones de iterbio-171. Ambos ordenadores cuánticos programables simulan problemas cuánticos que se consideran intratables usando ordenadores clásicos. Todavía es pronto para hablar de supremacía cuántica. Habrá que esperar a que se resuelva algún problema de optimización usando estos ordenadores cuánticos analógicos.

Simular un sistema cuántico usando otro sistema cuántico quizás está muy alejado de lo que imaginas cuando piensas en un ordenador cuántico. Sin embargo, no es tarea fácil, por ello estos dos nuevos trabajos son muy relevantes. Aún así todavía estamos lejos del sueño de ordenadores cuánticos (aunque sean analógicos) de interés tecnológico. Los artículos son Hannes Bernien, Sylvain Schwartz, …, Mikhail D. Lukin, “Probing many-body dynamics on a 51-atom quantum simulator,” Nature 551: 579–584 (30 Nov 2017), doi: 10.1038/nature24622, arXiv:1707.04344 [quant-ph], y J. Zhang, G. Pagano, …, C. Monroe, “Observation of a many-body dynamical phase transition with a 53-qubit quantum simulator,” Nature 551: 601–604 (30 Nov 2017), doi: 10.1038/nature24654arXiv:1708.01044 [quant-ph]. Más información divulgativa en Christine Muschik, “PredictingLarge quantum systems tamed,” News & Views, Nature (29 Nov 2017), doi: 10.1038/d41586-017-07438-8.

Dibujo20171129 single rydberg probability in 51-atom quantum simulator nature24622-f1

El artículo del grupo de Mikhail D. Lukin (Univ. Harvard) usa una trampa para 51 átomos ultrafríos (12 μK), cada uno en un estado de Rydberg, para implementar un simulador programable del modelo de Ising hasta 51 cúbits. Usando dicho sistema se ha observado una transición de fase asociada a la rotura de ciertas simetrías discretas. La señal más característica de este fenómeno es la aparición de oscilaciones persistentes. La confirmación de dicha observación se interpreta como señal de que la ejecución de la simulación es correcta. Si bien el resultado confirma las predicciones teóricas, no deja de ser un gran avance en computación cuántica.

Dibujo20171129 Observation of a many-body dynamical phase transition with a 53-qubit quantum simulato nature24654-f1

 

El artículo del grupo de Christopher Monroe (Univ. Maryland) usa una trampa para 53 iones ultrafríos para también implementar un simulador programable del modelo de Ising hasta 53 cúbits. Gracias a ello se puede estudiar la dinámica de este modelo fuera del equilibrio con interacciones de largo alcance. También se observa una transición de fase, un cambio brusco en el hamiltoniano, más allá del régimen descrito por la mecánica estadísticas convencional (que aplica a la dinámica en equilibrio).

Dibujo20171129 Two-body correlations 53-qubit quantum simulator nature24654-f3

Los resultados obtenidos por ambos grupos de investigación son los esperados para este tipo de sistemas (predicciones de la mecánica estadística fuera del equilibrio para el sistema de Ising). Por ello su relevancia se sitúa en el campo de la computación cuántica, ya que son los simuladores cuánticos programables de mayor número de cúbits hasta el momento. Por supuesto, usando el modelo de Ising se pueden cablear ciertos problemas de optimización de interés práctico. Todos esperamos que no falten muchos años para que veamos en acción la solución de alguno de estos problemas usando algunos de estos ordenadores cuánticos analógicos. Mientras tanto lo más relevante es que los ordenadores cuánticas avanzan con paso firme hacia un esplendoroso futuro.



4 Comentarios

  1. Francis con estos simuladores cuanticos en un futuro con mas quibits se podran simular interaciones de moleculas biologicas? para descubrir cura para el vih o nuevos farmacos? por ejemplo

  2. Un sistema cuántico con n cúbits tiene 2^n estados posibles y su simulación clásica requiere 2^n bits; en términos de partículas, un sistema cuántico de n cúbits puede simular n partículas cuánticas y 2^n partículas clásicas. Nuestro universo es cuántico, luego para simular n partículas de nuestro universo se requieren al menos n cúbits (en la práctica muchísimos más para implementar algoritmos de corrección de errores que luchen contra la decoherencia y permitan una simulación fiable).

    La idea de usar ordenadores cuánticos para simular teorías cuánticas de campos es muy popular entre los expertos en computación cuántica y muy prometedora dadas las dificultades computacionales de la teoría cuántica en el retículo (lattice QFT); pero recuerda que el modelo estándar describe (al menos) 117 campos (si los neutrinos fuesen de Majorana y sin contar el gravitón) luego se requieren 117 cúbits para describir cada “punto” (volumen de control) de nuestro universo; luego se necesitan al menos 117 cúbits para describir cada cúbit de nuestro universo (que serán muchos más al incorporar algoritmos de corrección de errores). Se necesitan menos cúbits si nos “olvidamos” de algunos campos “que no nos interese” simular; pero la idea 1 a 1 es una falacia.

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