El Zuchongzhi-3, un prototipo de procesador cuántico superconductores con 105 qubits y 182 acopladores, ha logrado avances significativos en el muestreo de circuitos cuánticos aleatorios. Este prototipo fue desarrollado exitosamente por un equipo de investigación de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC).
Este procesador opera a una velocidad que es 10¹⁵ veces más rápida que la del supercomputador más rápido disponible y un millón de veces más rápido que los últimos resultados publicados por Google. Este logro marca un hito en la mejora del rendimiento de la computación cuántica, después del éxito del Zuchongzhi-2. Los resultados de la investigación han sido publicados como el artículo de portada en Physical Review Letters.
La supremacía cuántica se refiere a la demostración de que una computadora cuántica puede realizar tareas imposibles de simular para computadoras clásicas. En 2019, el procesador Sycamore de Google, con 53 qubits, completó una tarea de muestreo en 200 segundos, una tarea que habría tomado aproximadamente 10,000 años en la supercomputadora más rápida en ese momento.
Sin embargo, en 2023, USTC demostró algoritmos clásicos más avanzados, completando la misma tarea en unos 14 segundos usando más de 1,400 GPUs A100. Se espera que usando supercomputadoras Frontier equipadas con mayor memoria, la tarea se complete en solo 1.6 segundos. Como resultado, la afirmación de «supremacía computacional cuántica» de Google fue rebatida.
Con el algoritmo clásico óptimo como referencia, el mismo equipo de USTC logró la primera supremacía cuántica rigurosamente probada con el prototipo de computación cuántica fotónica «Jiuzhang» en 2020. Esto fue seguido en 2021 por la consecución de la misma tarea en un sistema superconductores con el procesador Zuchongzhi-2.
En 2023, el desarrollo por parte del equipo del Jiuzhang-3 de 255 fotones demostró una supremacía cuántica que superó a las supercomputadoras clásicas por 10¹⁶ veces. En octubre de 2024, el procesador cuántico superconductores de Google, Sycamore, demostró supremacía cuántica al superar a las supercomputadoras clásicas por nueve órdenes de magnitud.
Basándose en el Zuchongzhi-2 de 66 qubits, el equipo de USTC mejoró significativamente métricas de rendimiento clave para desarrollar el Zuchongzhi-3. Este procesador cuántico logra un tiempo de coherencia de 72 μs, una fidelidad de puerta de un qubit paralelo del 99.90%, una fidelidad de puerta de dos qubits paralelos del 99.62%, y una fidelidad de lectura paralela del 99.13%. El tiempo de coherencia prolongado permite la realización de operaciones y cálculos más complejos.
Para evaluar sus capacidades, el equipo llevó a cabo un muestreo de circuitos aleatorios de 83 qubits y 32 capas en el sistema. En comparación con el algoritmo clásico óptimo actual, la velocidad computacional supera a la del supercomputador más potente del mundo por 15 órdenes de magnitud. Además, supera los últimos resultados publicados por Google en octubre del año pasado por 6 órdenes de magnitud, estableciendo la mayor ventaja computacional cuántica en el sistema superconductores hasta la fecha.
Después de lograr la mayor ventaja computacional cuántica con el Zuchongzhi-3, el equipo está avanzando activamente en la investigación en corrección de errores cuánticos, entrelazamiento cuántico, simulación cuántica, química cuántica y otras áreas. Los investigadores adoptaron una arquitectura de qubits en una cuadrícula 2D, facilitando interconexiones eficientes entre qubits y mejorando las tasas de transferencia de datos.
Con base en esta arquitectura, el equipo integró un código de superficie y está investigando activamente la corrección de errores cuánticos utilizando un código de superficie de distancia 7. Existen planes para aumentar esta distancia a 9 y 11, allanando el camino para la integración masiva y manipulación de bits cuánticos.
El trabajo del equipo tiene un profundo significado y ha recibido elogios generalizados. Un revisor de la revista describió el trabajo como «la evaluación de un nuevo computador cuántico superconductores, que muestra un rendimiento de última generación», y como una «mejora significativa respecto al dispositivo anterior de 66 qubits (Zuchongzhi-2)».
El equipo de investigación incluye a Pan Jianwei, Zhu Xiaobo y Peng Chengzhi, en colaboración con el Centro de Investigación de Ciencias Cuánticas de Shanghai, el Laboratorio Clave de Información Cuántica y Criptografía de Henan, el Instituto Nacional de Metrología de China, el Instituto de Tecnología Cuántica de Jinan, la Escuela de Microelectrónica en la Universidad de Xidian, y el Instituto de Física Teórica bajo la Academia China de Ciencias.
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