Científicos de IBM revelaron dos avances
críticos con miras a la creación de una computadora cuántica práctica. Por
primera vez, mostraron la capacidad de detectar y medir ambos tipos de errores
cuánticos simultáneamente, además de demostrar un nuevo diseño de circuito de
bit cuántico, de formato cuadrado, que es la única arquitectura física cuya
escala podría aumentarse con éxito a mayores dimensiones.
Los descubrimientos de IBM, descritos en la edición 29 de la publicación Nature Communications, muestran por primera vez la capacidad de detectar y medir los dos tipos de errores cuánticos (bit-flip o inversión de bit y phase-flip o inversión de fase) que ocurrirán en cualquier computadora cuántica real.
Hasta ahora, solo era posible abordar un tipo de error cuántico
o el otro, pero nunca ambos al mismo tiempo. Este es un paso necesario en el avance
hacia la corrección de errores cuánticos, que constituye un requisito crítico
para construir una computadora cuántica a gran escala que sea práctica y
confiable.
El novedoso y complejo circuito de bit cuántico de IBM, basado
sobre un entramado cuadrado de cuatro qubits superconductores en un chip que es
de aproximadamente un cuarto de pulgada, permite que se detecten ambos tipos de
errores cuánticos al mismo tiempo. Al optar por un diseño de forma cuadrada en
lugar de una disposición lineal – lo cual previene la detección de ambos tipos
de errores cuánticos en simultáneo – el diseño de IBM muestra el mejor
potencial para aumentar la escala, al agregar más qubits para alcanzar un
sistema cuántico que funcione.
El trabajo realizado en IBM fue parcialmente financiado por el
programa de operaciones multi-qubit coherente IARPA (Intelligence Advanced
Research Projects Activity).
Detección de errores cuánticos
- La
unidad más básica de información que una computadora típica puede
comprender es un bit. Del mismo modo en que un haz de luz puede encenderse
o apagarse, un bit puede tener uno solo de dos valores: “1″ o “0″. Sin
embargo, un bit cuántico (qubit) puede tener un valor de 1 o 0 así como
ambos valores al mismo tiempo, lo cual se describe como superposición, y
se denota simplemente como “0+1”. El signo de esta superposición es
importante porque ambos estados, 0 y 1, tienen una relación de fase entre
sí. Esta propiedad de superposición es lo que permite que las computadoras
cuánticas elijan la solución correcta entre millones de posibilidades, con
una velocidad muy superior a una computadora convencional.
- En
ese estado de superposición pueden ocurrir dos tipos de error: uno es un
error bit-flip, que simplemente cambia un 0 por un 1 y viceversa. Esto es
similar a los errores de inversión de bits clásicos, y trabajos anteriores
han demostrado cómo detectar estos errores en qubits. Sin embargo, esto no
basta para la corrección de errores cuánticos porque también pueden estar
presentes los errores phase-flip, que cambian el signo de la relación de
fase entre 0 y 1 en un estado de superposición. Ambos tipos de error deben
ser detectados para que la corrección de errores cuánticos funcione
correctamente.
- La
información cuántica es muy frágil, porque todas las tecnologías de qubit
existentes pierden su información cuando interactúan con la materia y la
radiación electromagnética. Los teóricos encontraron formas de preservar
la información durante mucho más tiempo, al extender la información entre
muchos qubits físicos. El “código de superficie” es el nombre técnico de
un esquema específico de corrección de errores, que distribuye la
información cuántica entre muchos qubits. Permite que solo las
interacciones entre vecinos más cercanos codifiquen un qubit lógico,
dotándolo de la estabilidad suficiente como para realizar operaciones sin
errores.
- El
equipo de IBM Research usó una variedad de técnicas para medir los estados
de dos qubits de síndrome (medición) independiente, cada uno de los cuales
revela un aspecto de la información cuántica almacenada en dos qubits
adicionales (llamados qubits de datos, o código). Específicamente, un
qubit de síndrome reveló si ocurrió un error bit-flip debido a alguno de
los dos qubits de código, mientras que el otro qubit de síndrome reveló si
ocurrió un error phase-flip. Determinar la información cuántica conjunta
en los qubits de código es un paso esencial para la corrección de errores
cuánticos porque la medición directa de los códigos qubits permite
destruir la información contenida en ellos.
- Como
estos qubits pueden ser diseñados y fabricados usando técnicas de
fabricación de silicio estándares, IBM anticipa que una vez que un puñado
de qubits superconductores pueda fabricarse en forma confiable y
repetible, y ser controlado con bajas tasas de error, no habrá ningún
obstáculo fundamental para demostrar la corrección de errores en
entramados de qubits mayores.
- Estos
resultados ponen de relieve el largo compromiso de IBM con el
procesamiento de información cuántica, que data desde hace más de 30 años,
cuando IBM participó en el primer taller en este campo, en la Física de
Información en 1981.
