Un nuevo chip avanza en la supresión de errores de la computación cuántica

Científicos de Caltech han descubierto cómo suprimir los errores en los ordenadores cuánticos, un molesto problema que sigue siendo el mayor obstáculo para la construcción de la tecnología de computación cuántica del futuro.

Los ordenadores cuánticos, que se basan en las propiedades aparentemente mágicas del reino cuántico, son prometedores para su uso en muchos campos diferentes, incluidos la medicina, la ciencia de los materiales, la criptografía y la física fundamental. Pero si bien los ordenadores cuánticos actuales pueden ser útiles para estudiar áreas específicas de la física, un ordenador cuántico de propósito general capaz de resolver problemas más avanzados aún no es posible debido a su sensibilidad inherente al ruido. Las vibraciones, el calor, la interferencia electromagnética de los teléfonos móviles y las redes wifi, o incluso los rayos cósmicos y la radiación del espacio exterior, pueden sacar a los qubits (bits cuánticos) de su estado cuántico. Como resultado, los ordenadores cuánticos cometen muchos más errores que sus homólogos de los ordenadores clásicos.

EL QUBIT GATO

En un estudio publicado en Nature, un equipo de científicos de AWS Quantum Computing Lab de Caltech demuestra una nueva arquitectura de chip cuántico para suprimir errores utilizando un tipo de qúbit conocido como qúbit gato. Los qúbits gato se propusieron por primera vez en 2001 y, desde entonces, los investigadores los han desarrollado y perfeccionado. Ahora, el equipo de AWS ha creado el primer chip qúbit gato escalable que se puede utilizar para reducir de forma eficiente los errores cuánticos. El nuevo chip de computación cuántica, llamado Ocelot, recibe su nombre del gato salvaje moteado, al tiempo que hace referencia a la tecnología de "oscilador" interno que subyace a los qubits gato.

"Para que los ordenadores cuánticos tengan éxito, necesitamos que las tasas de error sean aproximadamente mil millones de veces mejores que las actuales", afirma en un comunicado Oskar Painter, profesor de Física Aplicada en Caltech y director de hardware cuántico en AWS. "Las tasas de error se han reducido en un factor de dos cada dos años. A este ritmo, nos llevaría 70 años llegar a donde necesitamos estar. En cambio, estamos desarrollando una nueva arquitectura de chip que puede llevarnos allí más rápido. Dicho esto, este es un bloque de construcción inicial. Todavía tenemos mucho trabajo por hacer".

Los qubits se basan en 1 y 0 como los de las computadoras clásicas, pero los 1 y 0 están en un estado de superposición. Eso significa que pueden tomar cualquier combinación de 1 y 0 simultáneamente. También significa que son frágiles y pueden salir de la superposición muy fácilmente. "Lo que hace que los qubits sean poderosos también los hace sensibles a los errores cuánticos", dice Painter.

Los sistemas de computación digital clásicos tienen una forma sencilla de manejar los errores. Básicamente, los diseñadores de estos sistemas usan bits redundantes adicionales para proteger los datos de los errores. Por ejemplo, un solo bit de información se replica en tres bits, de modo que cualquier bit tiene dos socios de respaldo. Si uno de esos bits tiene un error (cambia de 1 a 0 o de 0 a 1) y los otros dos no se han cambiado, se puede utilizar un código simple (en este caso, lo que se llama un código de repetición de tres bits) para detectar el error y restaurar el bit extraño.

Debido a la complejidad de la superposición que se encuentra en los qubits, pueden tener dos tipos de errores: cambios de bits, como en los sistemas digitales clásicos, y cambios de fase, en los que los estados de qubit de 1 y 0 se desfasan (o desincronizan) entre sí. Los investigadores han desarrollado muchas estrategias para manejar ambos tipos de errores en los sistemas cuánticos, pero los métodos requieren que los qubits tengan una cantidad significativa de socios de respaldo. De hecho, las tecnologías actuales de qubits pueden requerir miles de qubits adicionales para proporcionar el nivel deseado de protección contra errores. Esto sería como si un periódico empleara un gran edificio de verificadores de hechos para verificar la precisión de sus artículos en lugar de solo un pequeño equipo. La sobrecarga de las computadoras cuánticas es excesiva y difícil de manejar.

"Estamos en una búsqueda a largo plazo para construir un ordenador cuántico útil que haga cosas que ni siquiera los mejores superordenadores pueden hacer, pero ampliarlas es un enorme desafío", afirma el coautor del estudio Fernando Brand*o, profesor de Física Teórica de la Universidad Bren en Caltech y director de Ciencias Aplicadas en AWS. "Por lo tanto, estamos probando nuevos enfoques para la corrección de errores que reducirán la sobrecarga".

El nuevo esquema del equipo se basa en un tipo de qúbit formado a partir de circuitos superconductores hechos de osciladores de microondas, en los que los estados 1 y 0 que representan el qúbit se definen como dos amplitudes de oscilación diferentes a gran escala. Esto hace que los estados del cúbit sean muy estables e inmunes a los errores de inversión de bits. "Puedes pensar en los dos estados oscilantes como si fueran los de un niño en un columpio, que se balancea a gran amplitud, pero se balancea hacia la izquierda o hacia la derecha. Puede que se levante un viento y sacuda el columpio, pero la amplitud de oscilación es tan grande que no puede cambiar rápidamente de una dirección de balanceo a la otra", explica Painter.

HASTA UN 90 POR CIENTO DE CORRECCIÓN

De hecho, el nombre de cúbits "gato" se refiere a la capacidad de estos qúbits de adoptar dos estados muy grandes o macroscópicos al mismo tiempo, como el famoso gato del experimento mental de Erwin Schrödinger, que puede estar vivo y muerto al mismo tiempo.

Como los qúbits gato han reducido drásticamente los errores de inversión de bits, los únicos errores que quedan por corregir son los errores de inversión de fase. Y corregir solo un tipo de error significa que los investigadores pueden usar un código de repetición como los que se usan para corregir errores de inversión de bits en sistemas clásicos.

"Un código clásico como el código de repetición de Ocelot significa que los nuevos chips no requerirán tantos cúbits para corregir errores", dice Brand*o. "Hemos demostrado una arquitectura más escalable que puede reducir la cantidad de qúbits adicionales necesarios para la corrección de errores hasta en un 90 por ciento".