"Un cálculo que tomaría 10,000 años en una supercomputadora clásica tomó 200 segundos en nuestra computadora cuántica", dijo Brooks Foxen, un investigador de estudiantes graduados en el Grupo Martinis. "Es probable que el tiempo de simulación clásico, actualmente estimado en 10,000 años, se reduzca con hardware y algoritmos clásicos mejorados, pero, dado que actualmente somos 1,5 billones de veces más rápido, nos sentimos cómodos al reclamar este logro".

La hazaña se describe en un artículo de la revista. Naturaleza.

El hito se produce después de aproximadamente dos décadas de investigación en computación cuántica realizada por Martinis y su grupo, desde el desarrollo de un único qubit superconductor hasta sistemas que incluyen arquitecturas de 72 y, con Sycamore, 54 qubits (uno no funcionó) que aprovechan Las propiedades tanto asombrosas como extrañas de la mecánica cuántica.

"El algoritmo fue elegido para enfatizar las fortalezas de la computadora cuántica al aprovechar la dinámica natural del dispositivo", dijo Ben Chiaro, otro investigador de estudiantes graduados en el Grupo Martinis. Es decir, los investigadores querían probar la capacidad de la computadora para contener y manipular rápidamente una gran cantidad de datos complejos y no estructurados.

"Básicamente queríamos producir un estado enredado que involucrara a todos nuestros qubits lo más rápido que pudiéramos", dijo Foxen, "y así nos decidimos por una secuencia de operaciones que produjeron un estado de superposición complicado que, cuando se mide, devuelve una cadena de bits con una probabilidad determinado por la secuencia específica de operaciones utilizadas para preparar esa superposición particular. El ejercicio, que consistía en verificar que la salida del circuito corresponde a la secuencia utilizada para preparar el estado, muestreó el circuito cuántico un millón de veces en solo unos minutos, explorando todos posibilidades: antes de que el sistema pueda perder su coherencia cuántica.

'Un estado de superposición complejo'

"Realizamos un conjunto fijo de operaciones que enreda 53 qubits en un estado complejo de superposición", explicó Chiaro. "Este estado de superposición codifica la distribución de probabilidad. Para la computadora cuántica, la preparación de este estado de superposición se logra aplicando una secuencia de decenas de pulsos de control a cada qubit en cuestión de microsegundos. Podemos preparar y luego tomar muestras de esta distribución midiendo el qubits un millón de veces en 200 segundos ".

"Para las computadoras clásicas, es mucho más difícil calcular el resultado de estas operaciones porque requiere calcular la probabilidad de estar en cualquiera de los 2 ^ 53 estados posibles, donde el 53 proviene del número de qubits, la escala exponencial Es por eso que la gente está interesada en la computación cuántica para empezar ", dijo Foxen. "Esto se hace mediante la multiplicación de matrices, que es costosa para las computadoras clásicas a medida que las matrices se hacen más grandes".

Según el nuevo artículo, los investigadores utilizaron un método llamado benchmarking de entropía cruzada para comparar la salida del circuito cuántico (una "cadena de bits") con su "probabilidad ideal correspondiente calculada mediante simulación en una computadora clásica" para determinar que la computadora cuántica estaba funcionando correctamente.

"Hicimos muchas elecciones de diseño en el desarrollo de nuestro procesador que son realmente ventajosas", dijo Chiaro. Entre estas ventajas, dijo, está la capacidad de ajustar experimentalmente los parámetros de los qubits individuales, así como sus interacciones.

Si bien el experimento fue elegido como prueba de concepto para la computadora, la investigación ha resultado en una herramienta muy real y valiosa: un generador de números aleatorios certificado. Útil en una variedad de campos, los números aleatorios pueden garantizar que no se puedan adivinar las claves cifradas, o que una muestra de una población más grande sea realmente representativa, lo que lleva a soluciones óptimas para problemas complejos y aplicaciones de aprendizaje automático más robustas. La velocidad con la que el circuito cuántico puede producir su cadena de bits aleatoria es tan grande que no hay tiempo para analizar y "engañar" al sistema.

"Los estados de mecánica cuántica hacen cosas que van más allá de nuestra experiencia cotidiana y, por lo tanto, tienen el potencial de proporcionar capacidades y aplicaciones que de otro modo serían inalcanzables", comentó Joe Incandela, vicerrector de investigación de UC Santa Barbara. "El equipo ha demostrado la capacidad de crear de manera confiable y muestrear repetidamente estados cuánticos complicados que involucran 53 elementos enredados para llevar a cabo un ejercicio que llevaría milenios hacer con una supercomputadora clásica. Este es un logro importante. Estamos en el umbral de un nuevo era de adquisición de conocimiento ".

Mirando hacia el futuro

Con un logro como la "supremacía cuántica", es tentador pensar que los investigadores de UC Santa Barbara / Google plantarán su bandera y descansarán. Pero para Foxen, Chiaro, Martinis y el resto del grupo UCSB / Google AI Quantum, esto es solo el comienzo.

"Es una especie de mentalidad de mejora continua", dijo Foxen. "Siempre hay proyectos en proceso". En el corto plazo, las mejoras adicionales a estos qubits "ruidosos" pueden permitir la simulación de fenómenos interesantes en la mecánica cuántica, como la termalización, o la gran cantidad de posibilidades en los ámbitos de los materiales y la química.

Sin embargo, a largo plazo, los científicos siempre buscan mejorar los tiempos de coherencia o, en el otro extremo, detectar y corregir errores, lo que requeriría muchos qubits adicionales por qubit que se verifican. Estos esfuerzos se han llevado a cabo paralelamente al diseño y construcción de la computadora cuántica en sí misma, y ​​aseguran que los investigadores tengan mucho trabajo antes de alcanzar su próximo hito.

"Ha sido un honor y un placer estar asociado con este equipo", dijo Chiaro. "Es una gran colección de contribuyentes técnicos fuertes con un gran liderazgo y todo el equipo realmente sinergia bien".