Optimización cuántica con dispositivos ruidosos

El desarrollo de computadoras cuánticas capaces de realizar tareas que están fuera del alcance de los dispositivos computacionales clásicos actuales es un desafío significativo en la ciencia moderna, atrayendo un gran interés tanto de la academia como de la industria. Alcanzar este hito requiere avances en múltiples frentes, que incluyen progresos teóricos en algoritmos cuánticos y mejoras en las plataformas físicas necesarias para implementarlos. Este proyecto contribuye a este ambicioso objetivo centrándose en problemas de optimización que podrían abordarse con los primeros prototipos de computadoras cuánticas. Específicamente, nuestro objetivo es desarrollar enfoques innovadores para la optimización cuántica y evaluar su potencial en condiciones realistas, particularmente con los dispositivos cuánticos actuales de escala intermedia y ruidosos (NISQ, por sus siglas en inglés). Nuestro trabajo se centra en la computación cuántica adiabática (recocción cuántica, o annealing), que consiste en modificar gradualmente el hamiltoniano de un sistema cuántico, de modo que su estado evolucione continuamente desde un estado inicial, fácil de preparar, hasta un estado final que representa la solución del problema de optimización. Implementar este tipo de algoritmos en dispositivos NISQ es aun un desafío debido a sus imperfecciones y a su susceptibilidad al ruido ambiental. En este contexto, el principal objetivo de este proyecto es identificar enfoques alternativos a la recocción cuántica tradicional que sean más rápidos y robustos, incluso en presencia de ruido ambiental e imperfecciones de fabricación. El proyecto se estructura en torno a tres objetivos específicos: 1.Desarrollar un enfoque novedoso para la optimización cuántica mediante el acoplamiento con un sistema auxiliar que mejore la velocidad del algoritmo. 2.Identificar funciones de control que logren un rendimiento (casi) óptimo y que sean robustas frente a imperfecciones y ruido ambiental. 3.Realizar experimentos de prueba de concepto en dispositivos NISQ de última generación para validar los avances teóricos alcanzados en los dos primeros objetivos. Para lograr estos ambiciosos objetivos, emplearemos metodologías innovadoras de diversas disciplinas, como la información cuántica, los sistemas cuánticos abiertos, el control cuántico óptimo y el aprendizaje automático, algunas de las cuales han sido desarrolladas recientemente por los investigadores principales (PIs). Los resultados de este proyecto buscan mejorar el rendimiento de las computadoras cuánticas en entornos ruidosos, proporcionando conocimientos valiosos a las comunidades de información y computación cuántica. Estos avances podrían dar lugar a técnicas prácticas aplicables a problemas del mundo real y contribuir al progreso de las tecnologías de computación cuántica. En última instancia, el proyecto aspira a abordar los principales desafíos de los dispositivos cuánticos de la generación actual, acercándolos a aplicaciones concretas en la resolución de problemas complejos de optimización.