por Edd Gent
Una de las mayores barreras que se interponen en el camino de las computadoras cuánticas útiles es la propensión a errores de los dispositivos actuales. Ahora, Google ha proporcionado una demostración experimental de cómo corregir este problema y ampliarlo para dispositivos mucho más grandes.
El poder de las computadoras cuánticas proviene de su capacidad para manipular estados cuánticos exóticos, pero estos estados son muy frágiles y fácilmente perturbados por fuentes de ruido, como el calor o los campos electromagnéticos. Esto puede introducir errores en los cálculos, y está ampliamente aceptado que la corrección de errores deberá integrarse en estos dispositivos antes de que puedan realizar un trabajo serio.
El problema es que la forma más obvia de verificar errores está fuera de los límites de una computadora cuántica. A diferencia de los bits binarios normales, los qubits en el corazón de una computadora cuántica pueden existir en un estado conocido como superposición, donde su valor puede ser 0 y 1 simultáneamente . Cualquier intento de medir el qubit hace que este estado colapse a 0 o 1, descarrilando cualquier cálculo en el que esté involucrado.
Para conseguir una ronda de este problema, los científicos han recurrido a otro fenómeno cuántico llamado entrelazamiento , el cual vincula intrínsecamente el estado de dos o más qubits. Esto se puede usar para agrupar muchos qubits para crear un “qubit lógico” que codifica una sola superposición. En teoría, esto hace posible detectar y corregir errores en qubits físicos individuales sin que se corrompa el valor general del qubit lógico.
Para detectar estos errores, los llamados “qubits de datos” que codifican la superposición también se entrelazan con otros conocidos como “qubits de medida”. Al medir estos qubits, es posible determinar si los qubits de datos adyacentes han experimentado un error, qué tipo de error es y, en teoría, corregirlo, todo sin leer realmente su estado y alterar la superposición del qubit lógico.
Si bien estas ideas no son nuevas, implementarlas hasta ahora ha resultado difícil de alcanzar, y todavía había algunos interrogantes sobre cuán efectivo podría ser el esquema. Pero ahora Google ha demostrado el enfoque en su procesador cuántico Sycamore de 52 qubit y ha demostrado que debería escalar para ayudar a construir las computadoras cuánticas tolerantes a fallas del futuro.
La creación de un qubit lógico se basa en lo que se conoce como código estabilizador, que lleva a cabo las operaciones necesarias para vincular los diversos qubits físicos y comprobar periódicamente si hay errores. En su artículo en Nature, los investigadores de Google describen cómo probaron dos códigos diferentes: uno que creó una larga cadena de qubits de datos alternos y qubits de medida y otro que creó una red 2D de los dos tipos diferentes.
El equipo comenzó a implementar el código lineal con 5 qubits físicos y luego lo escaló gradualmente hasta 21. Fundamentalmente, por primera vez demostraron que agregar más qubits resultó en un aumento exponencial en la capacidad de suprimir errores, lo que sugiere la cantidad de tiempo un qubit lógico que se puede mantener debería aumentar significativamente a medida que crece el número de qubits disponibles.
Sin embargo, aún queda un largo camino por recorrer . Para empezar, solo detectaron errores y en realidad no probaron el proceso para corregir qubits rebeldes. Y si bien el código lineal puede detectar los dos tipos principales de error (cambios de bits y cambios de fase), no puede hacer ambas cosas a la vez.
El segundo código que probaron es capaz de detectar ambos tipos de error, pero es más difícil asignar estas detecciones a las correcciones. Esta configuración también es más susceptible a errores en sí misma, y el rendimiento de los qubits físicos tendrá que mejorar antes de que este enfoque pueda demostrar la supresión de errores.
Sin embargo, este enfoque basado en celosía fue una prueba a pequeña escala del “código de superficie” que Google cree que finalmente resolverá la corrección de errores en futuras computadoras cuánticas a gran escala . Y aunque todavía no está allí, los investigadores dicen que está a poca distancia del umbral donde la supresión de errores es posible.
Concluyen señalando que la computación cuántica práctica probablemente requerirá 1,000 qubits físicos por cada qubit lógico, por lo que el hardware subyacente aún tiene un largo camino por recorrer. Pero la investigación deja en claro que los principios subyacentes de la corrección de errores son sólidos y podrán admitir computadoras cuánticas mucho más grandes en el futuro.
Crédito de la imagen: Rocco Ceselin / Google
