Descripció del projecte
L’alta sensibilitat dels sistemes quàntics al soroll generat pel seu entorn representa un dels majors obstacles que impedeixen l’aplicació de la computació quàntica a problemes d’interès pràctic. Mentre que un transistor clàssic pot executar bilions d’operacions per segon durant milers d’anys sense patir un sol error de hardware, la informació continguda en un qubit esdevé aleatòria en qüestió de mil·lèsimes de segon. Això impossibilita la execució d’algoritmes que impliquin un número pràctic de portes lògiques sense que es produeixi un error.
El mètode més utilitzat per abordar el problema de la decoherència i el soroll quàntic és la correcció d’errors. Lamentablement, la correcció de qubits es basa principalment en la redundància i requereix un nombre d’elements (~1000 qubits físics per cada qubit lògic) que supera amb escreix la capacitat dels millors ordinadors quàntics actuals. Una alternativa, molt menys explorada, per combatre els efectes de decoherència quàntica és l’ús de tècniques prevenció d’errors. Un dels objectius del què es coneix com a «time-optimal quantum control» (control quàntic, òptim en el temps) és fer possible l’execució del major número de portes lògiques en el mínim temps possible. Aquest tipus de tècniques han demostrat tenir avantatges molt significatives en la computació quàntica analògica i en la generació d’estats entrellaçats complexes. En combinació amb algoritmes de correcció i mitigació d’errors, l’ús del control òptim quàntic podria donar lloc a un increment substancial de la capacitat de càlcul dels ordinadors quàntics en un termini més proper. En alguns casos, el control quàntic òptim, no seria solament en el temps si no també sobre l’energia.
El projecte de recerca que proposa IDEADED es centra en l’optimització de tècniques de control de sistemes emprats en la computació quàntica. De caire majoritàriament teòric, el projecte a desenvolupar consisteix en l’ús de tècniques de control quàntic, òptim en el temps, per dissenyar nous protocols que permetin implementar de manera eficient un conjunt universal de portes lògiques. S’exploraran tant qubits basats en sistemes de variables discretes com de variables continues. L’objectiu d’aquest projecte és perseguir dues finalitats: (i) validar la implementació d’un conjunt universal de portes lògiques, i (ii) identificar el hardware més favorable pel que fa al número de portes lògiques executables per unitat de temps i energia en base al protocol implementat.
Les tasques a realitzar pel candidat a aquest doctorat industrial requereixen del coneixement de la física fonamental de sistemes quàntics i de la seva evolució temporal, a més de les tècniques de física computacional necessàries per a la seva simulació (programació, mètodes numèrics, paquets informàtics de tractament de dades, paquets de Computer Algebra Systems (Matlab, Mathematica, …). Un altra aspecte important és el coneixement bàsic de la teoria d’informació i computació quàntiques. El candidat a realitzar aquest doctorat industrial s’unirà a l’equip de físics i enginyers d’IDEADED amb l’objectiu d’assentar les bases del que serà un primer processador quàntic a l’empresa. IDEADED compta amb una sala blanca de 400m2 i quatre laboratoris equipats amb les eines necessàries per a la fabricació i caracterització de dispositius nanoelectrònics i fotònics. L’estreta col·laboració entre IDEADED i els grups de recerca d’IBM i de la Universitat de Barcelona, contribuirà en una forma decisiva i ben orientada en el desenvolupament del projecte. El doctorant rebrà suport del grup de recerca reconegut per la Generalitat de Catalunya (2017 SGR348) «OPELSYS» que forma part de l’Institut de Química Teòrica i Computacional (IQTCUB), que és al seu torn una Unitat d’Excel·lència María de Maeztu (MDM-2017-0767). OPELSYS s’ha consolidat com a un dels grups de recerca referent en la utilització de tècniques computacionals de simulació de sòlids i molècules a més de ser pioner en tècniques de control òptim aplicades a sistemes quàntics. El doctorand rebrà també suport per part del grup «Advanced Algorithms for Quantum Simulations» a IBM Research Zürich. Aquest grup, liderat pel Dr. Ivano Tavernelli és àmpliament reconegut en l’àmbit de desenvolupament d’algoritmes quàntics per a la simulació de sistemes fermiònics (electrons correlacionats en molècules i sòlids), tant pel que fa a la computació quàntica adiabàtica com digital.
