Un ingenioso truco cuántico acerca a los ordenadores cuánticos prácticos

Los ordenadores cuánticos tienen el potencial de revolucionar áreas que van desde la ciencia de materiales hasta la criptografía. Sin embargo, su construcción y operación siguen siendo extremadamente complejas. Uno de los principales desafíos es la decoherencia, un fenómeno que introduce errores en los sistemas cuánticos. Estos errores pueden manifestarse como cambios inesperados en los qubits, lo que puede interrumpir cálculos cruciales.

Para mitigar estos errores, los investigadores combinaron múltiples qubits físicos en un único qubit lógico, aplicando corrección de errores de forma continua. Esto ayuda a preservar la información cuántica a lo largo del tiempo, haciendo que el almacenamiento sea relativamente estable. Sin embargo, mantener la información es solo una parte del proceso; para ejecutar un algoritmo cuántico, los qubits deben ser manipulados activamente utilizando puertas cuánticas, que son las operaciones básicas que impulsan la computación cuántica.

Un equipo liderado por el profesor Andreas Wallraff de ETH Zurich demostró un método que aborda directamente este problema. En colaboración con investigadores del Instituto Paul Scherrer y teóricos liderados por el profesor Markus Müller de la RWTH Aachen University, el grupo mostró cómo realizar operaciones cuánticas entre qubits lógicos superconductores mientras se corrigen errores simultáneamente. Sus hallazgos se publicaron recientemente en Nature Physics.

Este avance representa un paso importante hacia la computación cuántica tolerante a fallos, donde los cálculos pueden continuar sin ser interrumpidos por errores constantes.

La corrección de errores en ordenadores clásicos se basa en copiar información. Se pueden almacenar múltiples bits idénticos, que se pueden verificar y comparar más tarde. Si uno de ellos cambia, un voto mayoritario revela el valor correcto. Este enfoque no es viable en sistemas cuánticos. Según el Dr. Ilya Besedin, investigador postdoctoral en el grupo de Wallraff y coautor del estudio junto al estudiante de doctorado Michael Kerschbaum, "Con los qubits, las cosas son mucho más complicadas". La información cuántica no puede ser copiada o clonada; debe ser distribuida entre qubits entrelazados.

Una solución ampliamente utilizada implica códigos de superficie. En este enfoque, la información de un solo qubit se distribuye entre varios qubits de datos físicos. La detección de errores se basa en mediciones repetidas de estabilizadores, que trabajan junto a los qubits de datos para formar el qubit lógico.

La complejidad aumenta cuando los investigadores desean aplicar una operación lógica, como una puerta controlada-NOT, entre dos qubits lógicos. Los errores pueden ocurrir durante la operación misma, y esos errores también deben ser corregidos. Kerschbaum explicó que realizar una operación lógica de esta manera tolerante a fallos sería relativamente sencillo si se pudieran mover los qubits y conectarlos arbitrariamente entre sí. Sin embargo, en los procesadores cuánticos superconductores, los qubits están fijos en su lugar, lo que limita cómo se pueden llevar a cabo las operaciones.

Para trabajar dentro de estas limitaciones, el equipo recurrió a un método conocido como cirugía en red. En su experimento, los investigadores comenzaron con un solo qubit lógico codificado a través de diecisiete qubits físicos. Los qubits de datos y estabilizadores se organizaron en un patrón cuadrado. A lo largo de varios ciclos, los estabilizadores se midieron cada 1.66 microsegundos para corregir tanto los errores de cambio de bit como los de cambio de fase.

En un momento clave, tres qubits de datos ubicados en el centro del cuadrado fueron medidos, dividiendo efectivamente el código de superficie en dos mitades separadas. Al mismo tiempo, se pausaron las mediciones de los estabilizadores de tipo X.

"El resultado final de esta operación fue que teníamos dos qubits lógicos entrelazados entre sí", explicó Besedin. Durante el proceso de división, la corrección de errores de cambio de bit continuó realizándose. Posteriormente, la corrección de errores se reanudó de manera independiente en cada mitad. Aunque esta operación aún no produce una puerta controlada-NOT por sí sola, puede combinarse con pasos adicionales de división y fusión para crear una.

Besedin señaló: "Se podría decir que la operación de cirugía en red es la operación, y todas las demás pueden construirse a partir de ella". Agregó que, hasta donde saben, esta es la primera vez que se ha realizado cirugía en red en qubits superconductores. Sin embargo, aún queda un camino por recorrer, ya que se requerirían 41 qubits físicos para que la operación de división en un qubit lógico sea estable también contra cambios de fase. No obstante, esta demostración de cirugía en red en qubits superconductores marca un paso importante hacia el ambicioso objetivo de construir ordenadores cuánticos útiles con miles de qubits.