Las computadoras cuánticas son mejores para adivinar, demuestra un nuevo estudio

Daniel Lidar, profesor de ingeniería de Viterbi en la USC y director del Centro de ciencia y tecnología de la información cuántica de la USC, y el Dr. Bibek Pokharel, científico investigador de IBM Quantum, han logrado una ventaja de aceleración cuántica en el contexto de una “adivinación de cadenas de bits”. juego.” Manejaron cadenas de hasta 26 bits de largo, significativamente más grandes de lo que era posible anteriormente, al suprimir de manera efectiva los errores que normalmente se observan en esta escala. (Un bit es un número binario que es cero o uno). Su trabajo se publica en la revista Cartas de revisión física.

Las computadoras cuánticas prometen resolver ciertos problemas con una ventaja que aumenta a medida que los problemas aumentan en complejidad. Sin embargo, también son muy propensos a errores o ruido. El desafío, dice Lidar, es “obtener una ventaja en el mundo real donde las computadoras cuánticas de hoy todavía son ‘ruidosas'”. computación cuántica se denomina la era “NISQ” (Noisy Intermediate-Scale Quantum), un término adaptado de la arquitectura RISC utilizada para describir los dispositivos informáticos clásicos. Por lo tanto, cualquier demostración actual de la ventaja de la velocidad cuántica necesita la reducción del ruido.

Cuantas más variables desconocidas tiene un problema, más difícil suele ser para un computadora resolver. Los académicos pueden evaluar el rendimiento de una computadora jugando un tipo de juego con ella para ver qué tan rápido un algoritmo puede adivinar información oculta. Por ejemplo, imagine una versión del juego de televisión Jeopardy, donde los concursantes se turnan para adivinar una palabra secreta de longitud conocida, una palabra completa a la vez. El anfitrión revela solo una letra correcta para cada palabra adivinada antes de cambiar la palabra secreta al azar.

En su estudio, los investigadores reemplazaron palabras con cadenas de bits. Una computadora clásica requeriría, en promedio, aproximadamente 33 millones de intentos para identificar correctamente una cadena de 26 bits. Por el contrario, una computadora cuántica que funcione perfectamente, presentando conjeturas en superposición cuántica, podría identificar la respuesta correcta en una sola conjetura. Esta eficiencia proviene de ejecutar un algoritmo cuántico desarrollado hace más de 25 años por los científicos informáticos Ethan Bernstein y Umesh Vazirani. Sin embargo, el ruido puede obstaculizar significativamente esta ventaja cuántica exponencial.

Lidar y Pokharel lograron su aceleración cuántica adaptando una técnica de supresión de ruido llamada desacoplamiento dinámico. Pasaron un año experimentando, con Pokharel trabajando como candidato doctoral bajo Lidar en la USC. Inicialmente, la aplicación de desacoplamiento dinámico parecía degradar el rendimiento. Sin embargo, después de numerosas mejoras, el algoritmo cuántico funcionó según lo previsto. El tiempo para resolver problemas creció más lentamente que con cualquier computadora clásica, y la ventaja cuántica se hizo cada vez más evidente a medida que los problemas se volvían más complejos.

Lidar señala que “actualmente, las computadoras clásicas aún pueden resolver el problema más rápido en términos absolutos”. En otras palabras, la ventaja reportada se mide en términos de la escala de tiempo que lleva encontrar la solución, no el tiempo absoluto. Esto significa que para cadenas de bits lo suficientemente largas, la solución cuántica eventualmente será más rápida.

El estudio demuestra de manera concluyente que con un control de errores adecuado, las computadoras cuánticas pueden ejecutar algoritmos completos con una mejor escala del tiempo que se tarda en encontrar la solución que las computadoras convencionales, incluso en la era NISQ.