¿Qué trabajo en computación cuántica le entusiasma más? La tecnología cambia la vida futura

En el control de calidad experimental , lo que más me emociona en este momento es la carrera para lograr lo que algunas personas llaman supremacía cuántica : es decir, una demostración clara e inequívoca del uso de hardware de computación cuántica para acelerar los algoritmos clásicos más conocidos para alguna tarea matemática bien definida, sin embargo inútil y artificial, y sin embargo especializada y no escalable el hardware. Creo que este será un hito científico importante, refutando a las personas que dijeron que la computación cuántica no puede funcionar, poniendo la Tesis Extendida de Turing de la Iglesia en el aviso de terminación y preparando el escenario para futuros avances de hardware que podrían apuntar en una dirección más práctica . Y a diferencia de un control de calidad universal, escalable, tolerante a fallas, que llevará más tiempo, soy optimista de que la supremacía cuántica se puede lograr en los próximos 5 a 10 años. Y siento que los constructores de hardware deberían centrarse en esto, en lugar de “enredar” el problema con aplicaciones prácticas. ¿Por qué no lograr primero el hito claro y luego preocuparse por las aplicaciones prácticas?

Por lo que puedo decir, el grupo que está más centrado en el láser en este momento para superar el hito de la supremacía cuántica es el de John Martinis en Google, que apunta en un par de años a tener 40-50 qubits superconductores con buenos tiempos de coherencia y controlables acoplamientos integrados en una matriz 2D en un chip. (¡En caso de que alguien se pregunte, 40 qubits que son de la calidad de John Martinis son mucho más interesantes para mí que 2,000 qubits que son de la calidad de D-Wave!) Pero también hay muchos otros para ver: por ejemplo, Rob Schoelkopf en Yale y el grupo de IBM en qubits superconductores; Chris Monroe en la Universidad de Maryland, Rainer Blatt en Austria, y David Wineland en NIST en trampas de iones; Jeremy O’Brien en Bristol en control de calidad óptico, y otros que estoy olvidando.

¡Ahora, junto con todo este trabajo de ingeniería, una demostración convincente de la supremacía cuántica también necesitará el apoyo de la teoría de la complejidad! Como teóricos, necesitaremos poder decirles a los experimentadores qué deben hacer con su hardware, cómo verificar los resultados y, lo que es más importante, qué tan sólidos son los fundamentos para creer que hubiera sido mucho más difícil obtener el resultado. Los mismos resultados con una computadora clásica.

BosonSampling, que mi alumno Alex Arkhipov y yo propusimos en 2011, fue un intento de responder las tres preguntas en el contexto de la computación cuántica lineal-óptica. Ha habido otras propuestas recientes en líneas similares, como el modelo Bremner-Jozsa-Shepherd “IQP / conmutar Hamiltonians” (relacionado con lo que he llamado muestreo de Fourier), y el “Algoritmo de optimización cuántica aproximada” de Farhi-Goldstone-Gutmann ( QAOA). Pero probablemente lo que se necesitará será adaptar una propuesta teórica al hardware que estará disponible en los próximos años. Esto implicará una colaboración más estrecha entre los teóricos de la complejidad y los experimentadores de lo que hubiera imaginado cuando comencé en este campo ~ hace 18 años. Pero es algo en lo que espero pasar una gran parte de mi tiempo trabajando en UT Austin: el derrocamiento convincente de la Tesis Extendida de Turing de la Iglesia es un evento que solo sucederá una vez, y dejar pasar la oportunidad de participar Parece casi criminal.

En el lado más puramente teórico de la computación cuántica, hay tantas personas que persiguen tantas preguntas interesantes, y tantos lugares posibles de donde podría provenir el próximo avance, que es más difícil para mí dar una respuesta clara.

Estoy entusiasmado con los avances este año pasado en la complejidad de consultas cuánticas, como las construcciones de Ambainis et al., Y de mi alumno Shalev Ben-David (ver aquí), de las funciones booleanas totales que logran separaciones super-cuadráticas (más que el del algoritmo de Grover) entre sus complejidades clásica y cuántica. Esto resolvió uno de los problemas abiertos que me habían atraído al campo cuando era adolescente. Para más información, podría intentar (por ejemplo) esta publicación mía del blog, pero ya está desactualizada: Shalev y otros ahora han logrado separaciones aún más, y también han utilizado ideas similares para separar la complejidad cuántica de la comunicación clásica.

Me encantó un artículo reciente de Bravyi y Gosset, que ofrece algoritmos clásicos para simular circuitos cuánticos (sobre ciertos conjuntos de puertas) que todavía son de tiempo exponencial, pero que alcanzan exponenciales mucho más suaves que los algoritmos “obvios”. Esto ya tiene implicaciones prácticas para simular circuitos cuánticos, y también introduce una idea teórica (descomposición inteligente de productos tensoriales de “estados mágicos”) que espero encuentre más usos.

Me gusta el trabajo en curso sobre la Conjetura PCP Quantum, y otras cosas que intentan forjar un vínculo entre la teoría de la complejidad cuántica y la física de la materia condensada.

Finalmente, estoy entusiasmado con la conexión entre la teoría de la complejidad cuántica y la gravedad cuántica (la paradoja del firewall, AdS / CFT, etc.), que irrumpió en escena hace unos años debido al trabajo de Daniel Harlow, Patrick Hayden, John Preskill , Lenny Susskind y algunos otros. ¡Incluso si a uno no le importaran los agujeros negros o la gravedad cuántica, esta conexión ha llevado a nuevas preguntas que encuentro interesantes simplemente como teoría de la complejidad cuántica! Para obtener más información sobre esa conexión, vea mi respuesta aquí a “¿Podría la investigación en computación cuántica ayudar a los físicos a lograr una teoría unificada?”