Las computadoras cuánticas tienen el potencial de transformar campos desde la física hasta la criptografía, pero hoy en día son extremadamente difíciles de construir y operar. Uno de los mayores desafíos proviene de la decoherencia, un proceso que introduce errores en los sistemas cuánticos. Estos errores suelen tomar la forma de cambios de bits o cambios de fase. Se produce un cambio de bit cuando un qubit cambia inesperadamente entre ‘0’ y ‘1’. Un cambio de fase ocurre cuando la fase de una superposición cuántica se invierte repentinamente, pasando de positiva a negativa.
Debido a que estos cambios pueden ocurrir aleatoriamente, incluso un solo error puede alterar el cálculo. Prevenir esa disrupción es uno de los problemas centrales que enfrentan los ingenieros cuánticos.
Protección de datos con qubits lógicos
Para reducir estos errores, los investigadores combinan muchos qubits físicos en un único qubit lógico y aplican una corrección de errores continua. Esta técnica ayuda a almacenar información cuántica a lo largo del tiempo, lo que hace que el almacenamiento sea relativamente estable. Pero almacenar información es sólo una parte de la tarea. Para ejecutar algoritmos cuánticos, los qubits deben manipularse activamente utilizando puertas cuánticas, las operaciones fundamentales que impulsan la computación cuántica.
Implementar esas operaciones sin introducir nuevos defectos ha resultado mucho más difícil que simplemente mantener los qubits estables en reposo.
Una nueva forma de calcular el tiempo de corrección de errores
Un equipo dirigido por el profesor Andreas Wallraff de D-PHYS ha demostrado ahora un método que aborda directamente este problema. Trabajando con investigadores del Instituto Paul Scherer (PSI) y teóricos dirigidos por el profesor Markus Müller de la Universidad RWTH Aachen y Forschungszentrum Julich, el grupo mostró cómo realizar operaciones cuánticas entre qubits lógicos superconductores y al mismo tiempo corregir errores. Sus resultados fueron publicados recientemente. Física de la naturaleza.
El trabajo marca un avance importante hacia la computación cuántica tolerante a fallos, donde los cálculos pueden continuar sin que los errores los descarrilen.
¿Por qué es diferente la corrección de errores cuánticos?
La corrección de errores en las computadoras clásicas depende de copiar información. Se pueden almacenar, comprobar y comparar varios bits idénticos más adelante. Si uno voltea, el voto mayoritario revela el valor correcto. Este método no funciona en sistemas cuánticos.
“Con los qubits, las cosas son mucho más complicadas”, dijo la Dra. Ilia Besedin, investigadora postdoctoral en el grupo de Wallraf y coautora principal del estudio con el estudiante de doctorado Michael Kirschbaum. La información cuántica no se puede copiar ni clonar. En cambio, debe distribuirse entre los qubits entrelazados. Después de todo, los sistemas cuánticos sufren errores de cambio de fase, que no tienen equivalente en la computación clásica y requieren sus propios métodos de corrección.
Corrección de errores con código de superficie.
Una solución ampliamente utilizada implica código de superficie. En este método, la información de un único qubit se distribuye entre diferentes qubits de datos físicos. La detección de errores se basa en mediciones repetidas de estabilizadores, que trabajan junto con los qubits de datos para formar qubits lógicos.
Estos estabilizadores se monitorean mediante qubits adicionales conectados al qubit de datos. Medir estos muestra si hay un cambio de bit o de fase en la verificación. Los estabilizadores tipo Z detectan cambios en el valor de los bits, mientras que los estabilizadores tipo X detectan cambios de fase. Es importante destacar que los qubits de datos nunca se miden directamente, lo que les permite almacenar con precisión estados cuánticos.
El desafío de realizar operaciones lógicas
El proceso se vuelve más complicado cuando los investigadores quieren implementar una operación lógica como una puerta de nudo controlado entre dos qubits lógicos. Pueden ocurrir errores durante la operación misma y esos errores también deben corregirse.
“Realizar una operación lógica de esta manera tolerante a fallas sería relativamente fácil si pudiéramos mover nuestros qubits y conectarlos entre sí arbitrariamente”, dijo Kirschbaum. Sin embargo, en los procesadores cuánticos superconductores, los qubits están fijos en su lugar. Sólo los qubits vecinos pueden interactuar, lo que limita la forma en que se pueden realizar las operaciones.
Dividiendo el cuadrado con cirugía de celosía
Para trabajar dentro de estas limitaciones, el equipo recurrió a un procedimiento conocido como cirugía de celosía. En sus experimentos, los investigadores comenzaron con un único qubit lógico codificado en diecisiete qubits físicos. Los qubits de datos y los estabilizadores estaban dispuestos en un patrón aproximadamente cuadrado. Durante varios ciclos, los estabilizadores se midieron cada 1,66 microsegundos para corregir tanto los cambios de bits como los de fase.
En un momento crítico, se midieron tres qubits de datos que pasaban por el centro del cuadrado. Este paso divide efectivamente el código de superficie en dos mitades separadas. Al mismo tiempo, se suspendieron las mediciones de estabilizadores tipo X.
“El resultado final de esta operación fue que nuestros dos qubits lógicos se entrelazaron entre sí”, explicó Besedin. Durante el proceso de fragmentación, se continuaron corrigiendo errores de inversión de bits. Posteriormente, cada mitad se reinicia de forma independiente para corregir el error de inversión de bits. Aunque esta operación todavía no produce por sí sola una compuerta de nudo controlado, se puede combinar con pasos adicionales de división y combinación para producir una.
Una novedad en qubits superconductores
“Se podría decir que la cirugía de celosía es la operación y a partir de ella se puede construir todo lo demás”, afirma Besedin.
“Hasta donde sabemos, esta es la primera vez que se realiza una cirugía de red en qubits superconductores”, añade, “y todavía nos queda mucho camino por recorrer. Por ejemplo, una operación de división en un qubit lógico requeriría 41 qubits físicos para estabilizarse incluso contra cambios de fase. Sin embargo, esto es estable en qubits superconductores. Los qubits son un objetivo ambicioso de construir computadoras cuánticas útiles con miles de qubits”. Identifica pasos importantes
