Enigmas cuánticos: navegar por el ruido y mejorar la experiencia

Hay un chiste que juega con las propiedades únicas del mundo cuántico y que dice: "Hay tres tipos de personas en este mundo: los que entienden la computación cuántica, los que no entienden la computación cuántica y los que entienden y no entienden simultáneamente". computación cuántica." Bromas aparte, Weiwen Jiang ve un mundo en el que la computación cuántica se utiliza ampliamente; Con nuevos fondos de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF), está dando pasos hacia ese objetivo.

Jiang, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad George Mason, dirige dos proyectos recientemente adjudicados por la NSF (por un valor total de 900.000 dólares) para trabajar en el desarrollo de estos dispositivos complejos y en la construcción de la fuerza laboral cuántica del mañana.

Las computadoras cuánticas se diferencian de las clásicas en que utilizan elementos de la mecánica cuántica para realizar cálculos, lo que les permite operar mucho más rápido y procesar más datos. Si bien hay varias computadoras cuánticas operativas en uso (IBM y Google se encuentran entre los principales fabricantes), actualmente están lejos de su potencial prometido y simplemente aún no pueden realizar los cálculos a gran escala que se predicen sobre ellas.

Jiang dijo que un problema clave es: “No son 'estables'. Podemos usarlos para cálculos, pero es posible que obtengas una respuesta hoy y mañana obtengas una respuesta completamente diferente”.

Los dispositivos cuánticos son notoriamente susceptibles al “ruido”, específicamente cosas como los rayos cósmicos, los cambios en el campo magnético de la Tierra, la radiación e incluso las señales wifi de los móviles. El ruido contribuye a la inestabilidad de los dispositivos.

La subvención de colaboración de 600.000 dólares financiará el trabajo de Jiang y sus colaboradores de la Universidad Estatal de Kent en el desarrollo de un adaptador que se ajustará al ruido fluctuante, mejorando el rendimiento de las aplicaciones en dispositivos cuánticos. Jiang conoce bien el tema y recientemente ganó el premio al Mejor Póster por “Optimizaciones a nivel de sistema para mejorar la solidez de las aplicaciones cuánticas en dispositivos cuánticos inestables” en un evento en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge.

Según los trabajos preliminares de Jiang, el despliegue de aplicaciones cuánticas enfrenta varios desafíos, entre ellos: sostenibilidad: en un procesador cuántico, la mayoría de las aplicaciones cuánticas son sensibles a los cambios temporales del ruido cuántico; portabilidad: diferentes procesadores cuánticos (incluso del mismo proveedor) con propiedades específicas darán lugar a variaciones en la incertidumbre del modelo; y transparencia: la falta de herramientas de visualización puede impedir que los usuarios adapten sus aplicaciones cuánticas a las computadoras cuánticas para lograr una mayor confiabilidad. El proyecto NSF proporcionará sistemáticamente soluciones en respuesta a estos desafíos.

Jiang es optimista sobre el futuro de la computación cuántica: “Cada año vemos muchos avances. Hace apenas un par de meses IBM publicó un artículo sobre reducción de ruido. Y cada año vemos que el número de qubits en las computadoras cuánticas aumenta de cinco en el año 2000 a más de 400 en una nueva computadora de IBM”. (Un qubit es la unidad básica de información utilizada en la computación cuántica, muy parecido a un 1 y un 0 en la computación tradicional).

Otra subvención, que Jiang comparte con los colaboradores Mingzhen Tian y Jessica Rosenberg en la Facultad de Ciencias, proporciona 300.000 dólares de la NSF para reforzar la cartera de mano de obra cuántica. La subvención es para "un programa de capacitación en integración de sistemas cuánticos de extremo a extremo". Los miembros de la facultad están desarrollando un nuevo curso en Mason, organizando talleres en la Conferencia Internacional IEEE sobre Computación Cuántica en septiembre (donde Jiang es el copresidente del sistema cuántico) y realizando tutoriales en conferencias internacionales. Recientemente, el equipo, dirigido por Rosenberg, coordinó un programa de inmersión de verano en Mason para estudiantes de secundaria. Además, en los próximos meses, Jiang conducirá seminarios en una variedad de instituciones que prestan servicios a minorías en la región de DC.

Jiang dijo que las oportunidades para los ingenieros con formación cuántica son sólidas y están creciendo. “Tengo colaboraciones a nivel local con Leidos y MITRE, por ejemplo, y tienen necesidades en este campo. Además, sabemos que la tecnología cuántica marcará la diferencia en todo, desde las finanzas hasta el descubrimiento de fármacos, el aprendizaje automático y más".

Se siente alentado por el futuro cuántico, tanto en el mundo como aquí en Mason. Destacó que a medida que crece la demanda estudiantil por esta tecnología, “necesitamos brindar los materiales adecuados para nuestros estudiantes, porque estamos viendo un gran interés en este campo”.