Transiciones de fase en el muestreo aleatorio de circuitos

Área de la Ciencia:

• Ciencia de la información cuántica
• La computación cuántica
• Física de la materia condensada

Sus antecedentes:

• Los procesadores cuánticos son susceptibles al ruido ambiental, degradando el rendimiento y limitando las capacidades computacionales.
• El benchmarking de entropía cruzada (XEB) se utiliza para estimar el tamaño efectivo del espacio de Hilbert en los procesadores cuánticos.
• El ruido puede comprometer los algoritmos cuánticos, haciéndolos vulnerables a la simulación clásica.

Objetivo del estudio:

• Demostrar experimentalmente y explicar teóricamente dos transiciones de fase observables en el muestreo aleatorio de circuitos utilizando el análisis comparativo de entropía cruzada.
• Introducir un modelo de enlace débil para analizar la interacción entre el ruido y la evolución coherente.
• Para establecer la existencia de una fase computacionalmente compleja accesible con los procesadores cuánticos actuales.

Principales métodos:

• Implementación de un algoritmo de muestreo de circuitos aleatorios.
• Observación experimental de las transiciones de dos fases mediante el análisis comparativo de la entropía cruzada.
• Explicación teórica utilizando un modelo estadístico y un modelo de enlace débil.
• Ejecución de un experimento de muestreo de circuitos aleatorios a gran escala en un procesador de 67 qubits.

Principales resultados:

• Se observaron experimentalmente dos transiciones de fase: una transición dinámica con profundidad de circuito y una transición de fase cuántica controlada por la tasa de error.
• Se desarrolló un modelo de enlace débil para identificar analítica y experimentalmente la transición de fase cuántica.
• Un experimento de muestreo de circuito aleatorio de 67 qubits y 32 ciclos demostró una complejidad computacional superior a las supercomputadoras clásicas.

Conclusiones:

• El estudio establece la existencia de transiciones de fase en la computación cuántica, ofreciendo información sobre la resiliencia al ruido.
• Se demuestra que una fase computacionalmente compleja es alcanzable con los procesadores cuánticos actuales, allanando el camino para la ventaja cuántica práctica.
• Los hallazgos proporcionan un marco para comprender y mitigar el ruido en la computación cuántica.