Un avance en computación cuántica permite operaciones 1,000 veces más rápidas

Las computadoras cuánticas enfrentan un desafío significativo debido a su vulnerabilidad a errores y perturbaciones del entorno. A medida que aumenta el tiempo que tarda una operación cuántica, también se incrementa la posibilidad de que se acumulen errores. Investigadores de la Universidad de Chalmers en Suecia desarrollaron un método que permite realizar una amplia gama de operaciones cuánticas más de mil veces más rápido, lo que podría ayudar a superar un obstáculo importante en el campo de la computación cuántica.

Este avance no solo podría facilitar la transformación de áreas como el descubrimiento de fármacos, la tecnología energética, la criptografía y la inteligencia artificial, sino que también es crucial para que estas máquinas sean más confiables. La razón principal de la propensión a errores en las computadoras cuánticas radica en que las computaciones cuánticas pueden ser interrumpidas por efectos ambientales extremadamente pequeños, como ruido eléctrico, radiación cósmica y sobrecalentamiento.

Si bien las computadoras tradicionales también pueden experimentar errores, han desarrollado durante décadas métodos de corrección de errores que permiten detectar y reparar fallas rápidamente. Las computadoras cuánticas, sin embargo, son más difíciles de proteger debido a la delicadeza de la información que utilizan. Según Lei Du, investigador en Física Cuántica Aplicada en Chalmers y autor principal del estudio teórico publicado en la revista Physical Review Letters, "los bloques fundamentales de las computadoras cuánticas, conocidos como qubits, son tan sensibles que incluso la más mínima perturbación puede causar que el estado cuántico se desvíe del objetivo, resultando en la pérdida de información".

Para hacer que la computación cuántica sea más resistente y eventualmente tolerante a fallos, los investigadores están investigando nuevas formas de proteger la información cuántica de los errores. Una estrategia prometedora utiliza lo que se conoce como códigos cuánticos bosónicos. En lugar de asignar información cuántica a qubits individuales, este enfoque almacena la información en campos de microondas dentro de circuitos superconductores.

El trabajo con códigos cuánticos bosónicos no es sencillo. Crear y controlar los estados cuánticos necesarios ha implicado tradicionalmente guiar un sistema cuántico a través de miles de ciclos de control repetidos. Este proceso puede llevar mucho tiempo, y cada ciclo adicional crea una nueva oportunidad para que perturbaciones externas interfieran con el cálculo. Por lo tanto, en la computación cuántica, la velocidad está estrechamente relacionada con la fiabilidad.

Los investigadores Lei Du y Tangyou Huang propusieron ahora una estrategia diferente. En lugar de construir los estados cuánticos deseados una pequeña pieza a la vez, su método puede realizar una variedad de operaciones de manera mucho más rápida. "Nuestro método demuestra que una amplia gama de operaciones cuánticas sobre estados bosónicos puede completarse dentro de un solo ciclo de control, en lugar de los varios miles de ciclos que se requerían anteriormente. Esto hace que las operaciones sean más rápidas y eficientes, al tiempo que reduce el riesgo de que las perturbaciones corrompan la información antes de que el proceso finalice", afirma Lei Du.

El nuevo enfoque se basa en puertas de red cuántica, un conjunto universal de puertas cuánticas propuesto recientemente por el mismo equipo de investigación. Estas puertas actúan como atajos, permitiendo que la operación cuántica deseada se complete en un solo ciclo de control, en lugar de requerir una larga secuencia de pasos repetidos. Esto podría hacer que el proceso sea más rápido, simple y menos vulnerable a errores.

La técnica es especialmente adecuada para las computadoras cuánticas superconductoras, que son una de las tecnologías más prominentes en el impulso internacional hacia la computación cuántica a gran escala. La Universidad de Chalmers también está utilizando tecnología superconductora mientras desarrolla una computadora cuántica de 100 qubits. Tangyou Huang comentó: "Una ventaja clave de nuestro enfoque es que se puede implementar utilizando plataformas de circuitos cuánticos superconductores existentes. Ya estamos discutiendo posibles realizaciones experimentales con colegas en Chalmers, y esperamos ver una demostración del método en un futuro cercano".

Los investigadores concluyeron que su trabajo aborda un problema central que enfrenta el campo: producir y controlar de manera eficiente estados cuánticos que puedan ayudar a corregir errores. "Nuestros resultados abordan uno de los principales cuellos de botella en el campo: cómo crear y controlar rápida y confiablemente los estados cuánticos de corrección de errores que podrían desempeñar un papel importante en las computadoras cuánticas del futuro", afirmó Lei Du.