Demonstration of subspace-search variational quantum eigensolver using photonic orbital angular momentum qudits

Para comprender el mundo material, los científicos a menudo necesitan saber no solo cómo se asientan los átomos en reposo, sino cómo se comportan cuando están excitados. Cuando una molécula absorbe energía, sus electrones saltan a niveles superiores, creando lo que se llaman estados excitados. Estos momentos fugaces son los responsables del brillo de una luciérnaga, el color de un atardecer y las reacciones químicas que impulsan la vida. Si bien las computadoras se han vuelto muy buenas calculando la energía de los átomos en su estado de reposo y calma, determinar la energía de estos estados excitados ha seguido siendo un problema obstinado. Las computadoras clásicas luchan con la complejidad de estos niveles de energía superiores, produciendo a menudo resultados poco fiables. Esta limitación ha empujado a los investigadores a mirar hacia las computadoras cuánticas, máquinas que utilizan las extrañas reglas de la física cuántica para resolver problemas que son demasiado difíciles para las supercomputadoras tradicionales. Sin embargo, las computadoras cuánticas disponibles hoy en día siguen siendo pequeñas y propensas a errores, lo que dificulta la ejecución de los complejos cálculos necesarios para encontrar estos estados excitados.

Un equipo de investigadores ha demostrado ahora una nueva forma de abordar este problema utilizando la luz. Utilizaron con éxito una técnica llamada resolvedor de autovalores cuánticos de búsqueda de subespacio (subspace-search variational quantum eigensolver) para encontrar los niveles de energía de los estados excitados en un espacio de alta dimensión. En lugar de depender de los métodos frágiles y propensos a errores que suelen requerir partículas auxiliares adicionales para comparar estados, utilizaron un circuito compartido para procesar múltiples estados a la vez. Al codificar la información en el movimiento giratorio de las partículas de luz, pudieron estimar las energías de una molécula simple y de una cadena de átomos magnéticos. Este trabajo muestra que el uso de fotones para transportar información cuántica ofrece un camino práctico y eficiente para simular procesos químicos complejos que antes estaban fuera del alcance.

El desafío central en este campo es que encontrar el estado de menor energía de un sistema es relativamente sencillo para los algoritmos cuánticos, pero encontrar los siguientes niveles de energía superiores es mucho más difícil. Los métodos tradicionales suelen requerir que la computadora realice una serie de comparaciones delicadas entre diferentes estados, un proceso que se vuelve increíblemente difícil a medida que el sistema crece. Para sortear esto, los investigadores recurrieron a un método conocido como resolvedor de autovalores cuánticos de búsqueda de subespacio. Este enfoque permite que la computadora busque varios niveles de energía simultáneamente mediante la preparación de un conjunto de puntos de partida distintos y no superpuestos y su ejecución a través del mismo proceso de optimización. La clave para hacer esto funcionar en las máquinas imperfectas actuales fue encontrar una manera de preparar estos puntos de partida distintos sin necesidad de secuencias de operaciones profundas y complejas que introducirían demasiados errores.

El equipo eligió utilizar fotones, o partículas de luz, como sus bits cuánticos. Específicamente, utilizaron una propiedad de la luz llamada momento angular orbital, que puede pensarse como la luz girando alrededor de su propio eje como un sacacorchos. Al dar forma a la luz con patrones holográficos especiales, pudieron crear diferentes "giros" que actuaban como estados distintos y ortogonales. En este contexto, ortogonal simplemente significa que los estados son completamente independientes entre sí, como diferentes canales de una radio que no interfieren entre ellos. Este método les permitió preparar múltiples estados de entrada de manera directa y eficiente, evitando las sec sequences de puertas profundas y propensas a errores que plagan otras plataformas de computación cuántica.

En su experimento, los investigadores configuraron un sistema donde un láser generaba pares de fotones individuales. Un fotón servía como señal para confirmar que el otro estaba listo, mientras que el segundo fotón era enviado al procesador cuántico. Dentro del procesador, el equipo mostró patrones holográficos específicos en un modulador de luz espacial, un dispositivo que puede cambiar la forma de un haz de luz. Estos patrones prepararon al fotón en uno de varios estados giratorios específicos. El fotón pasó luego por un segundo modulador que realizó las mediciones necesarias para determinar sus propiedades de energía. Una computadora clásica monitoreó los resultados, ajustó la configuración de los hologramas y repitió el ciclo hasta que los valores de energía dejaron de cambiar, indicando que se habían encontrado las respuestas correctas.

El equipo probó este enfoque en dos sistemas diferentes. Primero, modelaron una molécula simple compuesta por un átomo de helio y un átomo de hidrógeno, conocida como HeH+. Estimaron con éxito las energías para cuatro niveles diferentes de esta molécula, incluyendo tanto su estado fundamental como tres estados excitados, y calcularon las desviaciones de energía entre sus estimaciones experimentales y los valores teóricos. Luego aplicaron el método a un sistema más complejo: una cadena de ocho átomos magnéticos que interactúan entre sí, estimando las energías de los estados excitados para esta cadena de Heisenberg de ocho dimensiones. En ambos casos, los resultados experimentales proporcionaron estimaciones para los niveles de energía objetivo, demostrando que el método funciona incluso cuando aumenta el tamaño del sistema.

Esta demostración es significativa porque muestra que los sistemas cuánticos de alta dimensión pueden explorarse sin la pesada carga de hardware adicional o pasos complejos de corrección de errores. Al usar las propiedades naturales de la luz para codificar la información, los investigadores crearon una arquitectura escalable que se adapta bien a la generación actual de dispositivos cuánticos. La capacidad de predecir con precisión las energías de los estados excitados abre la puerta a una mejor comprensión de las reacciones químicas y las propiedades de los materiales, lo que potencialmente conduce al descubrimiento de nuevos fármacos o células solares más eficientes. El trabajo confirma que los sistemas fotónicos, que utilizan la luz en lugar de la electricidad para procesar la información, son un camino viable y eficiente en recursos para resolver algunos de los problemas más difíciles de la química y la física.