La computación cuántica sin errores se vuelve real

Demostración de los bloques de construcción fundamentales para la computación cuántica tolerante a fallas

Debido a la fabricación de alta calidad, los errores durante el procesamiento y almacenamiento de la información se han convertido en una rareza en las computadoras modernas. Sin embargo, para aplicaciones críticas, donde incluso errores aislados pueden tener efectos graves, todavía se utilizan mecanismos de corrección de errores basados ​​en la redundancia de los datos procesados.

Las computadoras cuánticas son inherentemente mucho más susceptibles a las perturbaciones y, por lo tanto, casi siempre serán necesarios mecanismos de corrección de errores. De lo contrario, los errores se propagarían salvajemente en el sistema y se perdería información. Como las leyes fundamentales de la mecánica cuántica prohíben copiar información cuántica, se puede lograr la redundancia distribuyendo información cuántica lógica en un estado entrelazado de múltiples sistemas físicos, por ejemplo, múltiples átomos individuales.

El equipo de investigación, dirigido por Thomas Monz del Departamento de Física Experimental de la Universidad de Innsbruck y Markus Müller de la Universidad RWTH Aachen y Forschungszentrum Jülich en Alemania, ha logrado por primera vez realizar un conjunto de operaciones computacionales en dos lógicas cuánticas. . bits que se pueden utilizar para implementar cualquier operación posible. “Para una computadora cuántica del mundo real, necesitamos un conjunto universal de puertas con las que podamos programar todos los algoritmos”, explica Lukas Postler, un físico experimental de Innsbruck.

Operación cuántica fundamental realizada

El equipo de investigación implementó esta puerta universal en una computadora cuántica de trampa de iones con 16 átomos atrapados. La información cuántica se almacenó en dos bits cuánticos lógicos, cada uno distribuido en siete átomos.

Ahora, por primera vez, ha sido posible implementar dos puertas computacionales en estos bits cuánticos tolerantes a fallas, que son necesarios para un conjunto universal de puertas: una operación computacional en dos bits cuánticos (una puerta CNOT) y una puerta T puerta lógica, que es particularmente difícil de implementar en bits cuánticos tolerantes a fallas.

Demostración de los bloques de construcción fundamentales para la computación cuántica tolerante a fallas. Crédito: Uni Innsbruck/Harald Ritsch

“Las puertas T son operaciones muy fundamentales”, explica el físico teórico Markus Müller. “Son particularmente interesantes porque los algoritmos cuánticos sin puertas T se pueden simular con relativa facilidad en computadoras clásicas, negando cualquier posible aceleración. Esto ya no es posible para los algoritmos con puertas T». Los físicos han demostrado la puerta T preparando un estado especial en un bit cuántico lógico y teletransportándolo a otro bit cuántico a través de una operación de puerta entrelazada.

La complejidad aumenta, pero también la precisión

En bits cuánticos lógicos codificados, la información cuántica almacenada está protegida contra errores. Pero esto es inútil sin operaciones computacionales, y esas operaciones en sí mismas son propensas a errores.

Los investigadores implementaron operaciones en los qubits lógicos para que los errores causados ​​por las operaciones físicas subyacentes también puedan detectarse y corregirse. Por lo tanto, implementaron la primera implementación tolerante a fallas de un conjunto universal de puertas en bits cuánticos lógicos codificados.

“La implementación tolerante a fallas requiere más operaciones que las operaciones no tolerantes a fallas. Esto introducirá más errores en la escala de átomos individuales, pero, sin embargo, las operaciones experimentales en qubits lógicos son mejores que las operaciones lógicas sin tolerancia a fallas”, informa Thomas Monz. “El esfuerzo y la complejidad aumentan, pero la calidad resultante es mejor”. Los investigadores también verificaron y confirmaron sus resultados experimentales utilizando simulaciones numéricas en computadoras clásicas.

Los físicos ya han demostrado todos los componentes básicos para la computación tolerante a fallas en una computadora cuántica. La tarea ahora es implementar estos métodos en computadoras cuánticas más grandes y, por lo tanto, más útiles. Los métodos demostrados en Innsbruck en una computadora cuántica de trampa de iones también se pueden usar en otras arquitecturas para computadoras cuánticas.

Referencia: «Demostración de operaciones de puerta cuántica universal tolerante a fallas» por Lukas Postler, Sascha Heuβen, Ivan Pogorelov, Manuel Rispler, Thomas Feldker, Michael Meth, Christian D. Marciniak, Roman Stricker, Martin Ringbauer, Rainer Blatt, Philipp Schindler, Markus Müller y Thomas Monz, 25 de mayo de 2022, Naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-022-04721-1

El apoyo financiero para la investigación fue proporcionado, entre otros, por la Unión Europea en el marco de la Quantum Flagship Initiative, así como por la Agencia de Promoción de la Investigación de Austria FFG, el Fondo de Ciencias de Austria FWF y la Federación de Industrias del Tirol de Austria.