Una nueva forma de borrar errores de computadoras cuánticas

Las computadoras cuánticas del futuro prometen resolver todo tipo de problemas. Por ejemplo, podrían dar lugar a materiales más sostenibles, nuevos medicamentos e incluso resolver los problemas más difíciles de la física fundamental. Pero en comparación con las computadoras clásicas que se utilizan hoy en día, las computadoras cuánticas rudimentarias son más propensas a cometer errores. ¿No sería bueno si los investigadores pudieran tomar un borrador cuántico especial y deshacerse de los errores?

Informe en el diario Naturaleza, Un grupo de investigadores dirigido por Caltech está entre los primeros en demostrar un tipo de caucho cuántico. Los físicos demuestran que pueden identificar y corregir errores en los sistemas de computación cuántica, conocidos como errores de «borrado».

«Por lo general, es muy difícil detectar errores en las computadoras cuánticas, porque el solo hecho de buscar errores hace que se produzcan más errores», dice Adam Shaw, coautor principal del nuevo estudio y estudiante de posgrado en el laboratorio. Manuel Endres, profesor de física en Caltech. «Pero hemos demostrado que, con un control cuidadoso, podemos localizar y borrar con precisión ciertos errores sin consecuencias, de ahí el nombre de borrado».

Las computadoras cuánticas se basan en las leyes de la física que gobiernan el reino subatómico, como enredo, un fenómeno en el que las partículas permanecen conectadas y se imitan entre sí sin estar en contacto directo. En el nuevo estudio, los investigadores se centraron en un tipo de plataforma de computación cuántica que utiliza matrices de átomos neutros o átomos sin carga. Específicamente, manipularon átomos alcalinotérreos neutros individuales confinados dentro de «pinzas» hechas de luz láser. Los átomos fueron excitados a estados de alta energía -o estados «Rydberg»- en los que los átomos vecinos comienzan a interactuar.

«Los átomos de nuestro sistema cuántico se comunican entre sí y generan entrelazamientos», explica Pascal Scholl, otro coautor principal del estudio y ex becario postdoctoral en Caltech que ahora trabaja en una empresa de computación cuántica en Francia llamada PASQAL.

El entrelazamiento es lo que permite que las computadoras cuánticas superen a las computadoras clásicas. «Sin embargo, a la naturaleza no le gusta permanecer en estos estados cuánticos entrelazados», explica Scholl. «Con el tiempo, se produce un error que descompone todo el estado cuántico. Estos estados entrelazados pueden considerarse como cestas llenas de manzanas, donde los átomos son las manzanas. Con el tiempo, algunas manzanas comenzarán a pudrirse, y si esas manzanas no se pudren, Si se retiran de la cesta y se reemplazan por otras frescas, todas las manzanas se pudrirán rápidamente. No está claro cómo evitar por completo que se produzcan estos errores, por lo que la única opción viable hoy en día es detectarlos y corregirlos.

El nuevo sistema de detección de errores está diseñado de tal manera que los átomos erróneos emiten fluorescencia o se iluminan cuando son impactados por un láser. «Tenemos imágenes de los átomos brillantes que nos dicen dónde están los errores, por lo que podemos dejarlos fuera de las estadísticas finales o aplicar pulsos láser adicionales para corregirlos activamente», dice Scholl.

La teoría para implementar la detección de borrado en sistemas de átomos neutros fue desarrollado por primera vez por Jeff Thompson, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Princeton, y sus colegas. Este equipo también demostró recientemente la técnica en experimentos de laboratorio.

Al eliminar y localizar errores en su sistema atómico Rydberg, el equipo de Caltech afirma que pueden mejorar la tasa general de entrelazamiento o fidelidad. En el nuevo estudio, el equipo informa que sólo uno de cada 1.000 pares de átomos no logró entrelazarse. Esto representa una mejora de un factor de 10 con respecto a lo logrado anteriormente y es la tasa de entrelazamiento más alta jamás observada en este tipo de sistema.

En última instancia, estos resultados son un buen augurio para las plataformas de computación cuántica que utilizan matrices de átomos neutros de Rydberg. «Los átomos neutros son el tipo más escalable de computadora cuántica, pero hasta ahora no han tenido una alta fidelidad de entrelazamiento», dice Shaw.

El nuevo Naturaleza estudio titulado «Borrar conversión en un simulador cuántico Rydberg de alta fidelidad«, fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) a través del Instituto de Información y Materia Cuántica, o IQIM, con sede en Caltech; la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa; un premio NSF CAREER; la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea; los Institutos NSF Quantum Leap Challenge; el Acelerador de Sistemas Cuánticos del Departamento de Energía; una beca Taiwán – Caltech; y una beca postdoctoral Troesh. Otros autores afiliados a Caltech incluyen al estudiante graduado Richard Bing-Shiun Tsai; Ran Finkelstein, investigador asociado postdoctoral en física de Troesh; y el ex postdoctorado Joonhee Choi, ahora profesor en la Universidad de Stanford.