Un esquema para reducir los errores que plagan las computadoras cuánticas está un paso más cerca de la realidad, anunciaron hoy investigadores de Google. En lugar de bits ordinarios que se pueden configurar en 0 o 1, una computadora cuántica usa qubits que se pueden configurar en 0 y 1 al mismo tiempo. Pero son frágiles. Una táctica para proteger la información transportada por un qubit es distribuirla entre muchos otros. Ahora, el equipo de Google ha demostrado que puede reducir los errores al distribuir la información entre más y más qubits. Tal «escalamiento» marca un paso clave hacia el objetivo de Google de mantener indefinidamente el valor de un qubit de información, un qubit «lógico», codificándolo en 1000 físicos.
«Esta es una demostración significativa de prueba de concepto», dice Joschka Roffe, físico teórico de la Universidad Libre de Berlín que no participó en el experimento. Aún así, señala, a pesar de la escala, el qubit lógico de Google aún no es tan confiable como los físicos subyacentes.
Una computadora cuántica completa podría realizar ciertas tareas, como descifrar los esquemas actuales de encriptación de Internet, que abruman a una computadora convencional. Sus qubits pueden estar formados por muchas cosas, como iones, fotones y átomos. Los qubits de Google son pequeños circuitos de metal superconductor que tienen un estado de energía más bajo que indica 0 y uno más alto que indica 1. Las microondas pueden convencer a un circuito para que pase a cualquiera de los dos estados, o a ambos a la vez. Sin embargo, el ruido tiende a destruir ese estado bidireccional en 20 microsegundos, muy poco tiempo para ejecutar algoritmos ambiciosos.
En un esfuerzo por fortalecer los qubits, los ingenieros de Google están siguiendo un camino tomado en la década de 1940 para corregir errores en las primeras computadoras, en las que el ruido a veces cambiaba un poco de 0 a 1, o viceversa. Suponga que copia la información de un bit en otros dos bits. La probabilidad de que el ruido cambie los tres es mucho menor. Y si uno voltea, la computadora puede averiguar cuál era comparando pares de bits.
Las leyes de la mecánica cuántica prohíben usar exactamente el mismo enfoque en las computadoras cuánticas. Es imposible copiar el estado de un qubit en otros. Además, la medición de un qubit en un estado 0 y 1 lo colapsa a 0 o 1. La corrección de errores cuánticos implica soluciones alternativas sutiles, donde la información de un qubit nunca se mide directamente y, en lugar de copiarse, el estado del qubit original se expande. a través de un fenómeno llamado entrelazamiento.
Tomemos, por ejemplo, un solo qubit en un estado 0 y 1. Usando el entrelazamiento, se pueden conectar otros dos qubits para crear un estado cuántico en el que los tres son 0 y simultáneamente los tres son 1. Llámalo 000 y 111. La información en ese estado es la misma que en el original y forma el qubit lógico. Ahora, si, digamos, el segundo de estos tres qubits de datos cambia, el estado se convertirá en 010 y 101. Para detectar tal cambio, los investigadores enredan qubits adicionales entre el primero y el segundo y el segundo y el tercer qubits. Las mediciones en esos qubits «auxiliares» revelan el qubit invertido en el trío original de qubits, que nunca se miden. En principio, los investigadores pueden devolver el qubit invertido a su estado original.
Ahora, el equipo de Google Quantum AI ha demostrado cómo mejora el esquema cuando la información en el qubit lógico se distribuye entre más y más qubits físicos. Usando un chip de 72 qubits, el equipo codificó un solo qubit lógico de dos maneras: en una cuadrícula de 17 qubits (nueve datos y ocho auxiliares) o 49 qubits (25 datos y 24 auxiliares). Los investigadores sometieron cada cuadrícula a 25 ciclos de mediciones, en busca de qubits invertidos. En lugar de corregirlos, los investigadores simplemente les dieron seguimiento, lo cual fue suficiente para el experimento, dice Julian Kelly, físico y director de hardware cuántico en Google.
Después de los 25 ciclos, midieron los qubits de datos directamente para ver si los qubits auxiliares que rastreaban todos los giros o más se habían colado, lo que significa que la máquina perdió el rastro del qubit lógico. Durante muchas pruebas, la probabilidad por ciclo de perder el qubit lógico fue del 3,028 % con la cuadrícula más pequeña y del 2,914 % con la más grande. el equipo informa hoy en Naturaleza. Por lo tanto, la tasa de error se redujo a medida que aumentaba la cantidad de qubits físicos, aunque apenas.
Esos números pueden ser decepcionantes, ya que incluso un solo qubit físico tiene una tasa de error más baja. Pero la escala es más importante que la confiabilidad real del qubit lógico, dice Kelly. “La escalabilidad es realmente el truco”, dice. Aún así, para alcanzar el objetivo de Google de codificar un qubit lógico en 1000 físicos con una tasa de error del 0,0001 %, el escalado debe ser 20 veces mejor.
El experimento de Google no es el único juego en la ciudad, señala Greg Kuperberg, matemático de la Universidad de California, Davis. Una empresa llamada Quantinuum ha realizado un experimento en el que el qubit lógico es más robusto que los físicos subyacentes, utilizando qubits de iones, y físicos de la Universidad de Yale han hecho lo mismo en un experimento que mezcla qubits superconductores y fotones. Sin embargo, es posible que los sistemas de iones no se escalen tan fácilmente, y el sistema de Yale es una especie de comparación de «manzanas y naranjas», señala Kuperberg.
Aún así, dice Kuperberg, los resultados muestran que los físicos están en el umbral de usar qubits físicos imperfectos para hacer mucho mejores lógicos. “Todavía voy a llamar a eso el punto de referencia más importante [in quantum computing] Puedo pensar en este momento.
