Investigadores logran que partículas cuánticas no Abelianas realicen computación universal

Un equipo de investigadores de la Universidad de Chicago, junto a Harvard, Stony Brook University y Quantinuum, logró demostrar que las partículas cuánticas exóticas conocidas como no Abelianas pueden llevar a cabo un conjunto completo de operaciones requeridas para la computación cuántica universal. Este avance se realizó utilizando 54 qubits en el procesador H2 de Quantinuum, combinando técnicas de trenzado y fusión que permiten capacidades que el trenzado por sí solo no podría ofrecer.

El investigador Ruben Verresen, profesor asistente de ingeniería molecular en UChicago PME y coautor del estudio publicado en Nature, explicó que "demostramos un conjunto de puertas universales, lo que significa que si almacenas información en estas versiones emergentes de quarks y las mueves, puedes realizar cualquier cálculo cuántico que desees".

Esta estrategia no solo podría facilitar la creación de computadoras cuánticas de propósito general, sino que también podría ofrecer una ruta más eficiente hacia máquinas cuánticas confiables. Las computadoras cuánticas son extremadamente vulnerables a errores, por lo que los investigadores normalmente protegen la información distribuyéndola a través de múltiples qubits físicos. Sin embargo, los métodos de corrección de errores tradicionales no suelen proporcionar todas las operaciones necesarias para realizar cálculos cuánticos universales sobre esa información protegida.

Para llenar este vacío, los ingenieros suelen depender de recursos especialmente preparados llamados "estados mágicos". Producirlos generalmente requiere un proceso intensivo de purificación conocido como destilación, que puede consumir una gran parte de los qubits disponibles en una computadora cuántica. Los nuevos resultados sugieren que las partículas no Abelianas podrían ofrecer una alternativa a ese paso costoso.

El coautor del estudio, Henrik Dreyer, director general y líder científico de Quantinuum en Múnich, afirmó que "los códigos no Abelianos son un caballo oscuro en la carrera hacia la corrección de errores cuánticos". En este trabajo, se mostró el primer conjunto de puertas universales en un código no Abeliano, lo que demuestra que en principio se pueden realizar cálculos tolerantes a fallos sin recurrir a la destilación de estados mágicos, que son las operaciones más costosas en los códigos de corrección de errores cuánticos estándar.

A diferencia de los qubits ordinarios, que codifican información utilizando dos estados básicos, los no Abelianos funcionan de manera fundamentalmente diferente. No aparecen como partículas independientes en la naturaleza, sino que se crean dentro de circuitos cuánticos al entrelazar muchos qubits convencionales en un estado colectivo que se comporta como un nuevo tipo de partícula con sus propias reglas inusuales. Cada partícula no Abeliana lleva un estado interno que cambia cuando una partícula se mueve alrededor de otra en un proceso conocido como trenzado.

En 2024, un equipo de investigación que incluía a Verresen utilizó una computadora cuántica de iones atrapados de Quantinuum para crear anyones asociados con un grupo de simetría llamado D4, demostrando esta forma de orden no Abeliana en hardware cuántico por primera vez. Sin embargo, ese experimento mostró que los partículas inusuales podían ser creadas y manipuladas, pero el trenzado por sí solo no era suficiente para realizar todas las operaciones requeridas para la computación cuántica universal.

Para el nuevo estudio, los investigadores cambiaron a otra simetría conocida como S3 y crearon los anyones correspondientes en el procesador de iones atrapados H2 de Quantinuum utilizando 54 qubits entrelazados. El sistema S3 tenía las propiedades necesarias para la computación cuántica universal, pero solo cuando el trenzado se combinaba con otra operación llamada fusión. Durante la fusión, se acercan dos anyones y se mide el estado resultante.

Los investigadores utilizaron pares de anyones para codificar "qutrits topológicos", que almacenan tres niveles posibles de información cuántica en lugar de los dos niveles utilizados por los qubits ordinarios. Al combinar diferentes operaciones de trenzado y fusión, el equipo demostró tres herramientas clave: una puerta de entrelazado producida a través del trenzado y dos mediciones diferentes creadas a través de la fusión. Juntas, esas operaciones pueden, en principio, producir cualquier operación cuántica, incluidas aquellas que el trenzado por sí solo no podría lograr.

El siguiente paso importante será combinar estas operaciones con corrección de errores activa. Si se logra, las partículas no Abelianas podrían eventualmente convertirse en una base práctica para computadoras cuánticas a gran escala y tolerantes a fallos. Verresen ya trabaja con otros investigadores de PME en nuevas técnicas para estabilizar memorias cuánticas no Abelianas.

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