Algoritmos en las futuras computadoras cuánticas

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Los recientes avances teóricos han resuelto dos preguntas de larga data sobre la viabilidad de simular sistemas cuánticos en futuras computadoras cuánticas, superando los desafíos del análisis de complejidad para permitir algoritmos más avanzados. Presentado en dos publicaciones, el trabajo de un equipo cuántico del Laboratorio Nacional de Los Alamos muestra que las propiedades físicas de los sistemas cuánticos permiten técnicas de simulación más rápidas.

«Se necesitarán algoritmos basados ​​en este trabajo para la primera demostración a gran escala de simulaciones cuánticas en computadoras cuánticas», dijo Rolando Somma, teórico cuántico en Los Alamos y coautor de los dos artículos.

Los estados cuánticos de baja energía son la clave para una simulación cuántica más rápida

El artículo «Simulación hamiltoniana en el subespacio de baja energía» demuestra que la complejidad de un algoritmo de simulación cuántica depende de la escala de energía relevante y no de todo el rango de energías del sistema, como se pensaba anteriormente. De hecho, algunos sistemas cuánticos pueden tener estados de energías ilimitadas, por lo que las simulaciones resultarían intratables incluso en grandes ordenadores cuánticos.

Esta nueva investigación encontró que, si un sistema cuántico solo explora estados de baja energía, podría simularse con baja complejidad en una computadora cuántica sin errores que interrumpan la simulación.

«Nuestro trabajo proporciona un camino para un estudio sistemático de simulaciones cuánticas de baja energía, que serán necesarias para acercar las simulaciones cuánticas a la realidad», dijo Burak Şahinoğlu, físico teórico de Los Alamos y autor principal del artículo, publicado en la revista. Información cuántica, una revista asociada de Nature.

«Demostramos que en cualquier etapa del algoritmo, nunca se escapa de energías muy grandes», dijo Somma. «Hay una manera de escribir su algoritmo cuántico de modo que después de cada pasada todavía esté en su subespacio de baja energía».

Los autores dijeron que su investigación se aplica a una amplia clase de sistemas cuánticos y será útil para simular teorías de campos cuánticos, que describen fenómenos físicos dentro de sus estados de baja energía.

El rápido avance de los sistemas cuánticos pasa por alto el principio de incertidumbre tiempo-energía

El otro artículo, «Fast-forwarding quantum evolution», una colaboración con Shouzhen Gu de Caltech, un ex alumno de la escuela de verano de computación cuántica de Los Alamos, se publica en cuántico. Muestra tres sistemas cuánticos en los que un algoritmo de simulación cuántica puede ejecutarse más rápido, y en algunos casos exponencialmente más rápido, que los límites sugeridos por el principio de incertidumbre tiempo-energía.

«En mecánica cuántica, la mejor precisión que se puede lograr al medir las escalas de energía de un sistema, en general, es la inversa de la duración de la medición», dijo Somma.

«Sin embargo, este principio no se aplica a todos los sistemas cuánticos, especialmente a aquellos que tienen ciertas características físicas», dijo Şahinoğlu.

Los autores han demostrado que cuando se elude este principio, dichos sistemas cuánticos también se pueden simular de manera muy eficiente, o avanzar rápidamente, en computadoras cuánticas.

Fuente de la historia:

Materiales proporcionados por DOE / Laboratorio Nacional de Los Alamos. Nota: el contenido se puede cambiar por estilo y longitud.

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