Científicos de IBM  han  logrado  un  importante  avance  que  acorta  el  camino hacia la construcción de un ordenador cuántico con uso práctico. Por primera vez, se han podido detectar y medir dos tipos de error de forma simultánea. Además, también  se  ha  demostrado  un  nuevo  circuito  bit  cuadrado,  la  única arquitectura física que podría aumentar su dimensión con éxito.

Publicidad

Con  la Ley de Moore llegando a su límite, la computación cuántica va a ser uno  de  los avances que permitirá entrar en una nueva era de la innovación industrial.  Los  ordenadores  cuánticos prometen importantes avances en el campo   de  la  optimización  y  la  simulación  informática  que  con  los ordenadores  de  hoy  en  día  no  son posibles. Si se pudiera construir un ordenador cuántico de únicamente 50 bits cuánticos (qubitspor sus siglas en inglés), ninguna combinación de los superordenadores que forman parte de la lista TOP500 podría superar su rendimiento.

El logro de IBM, descrito en el número del 29 de abril de la revista Nature Communications,  muestra  por  primera vez la capacidad de detectar y medir dos tipos de errores cuánticos (bit-flip y phase-flip) que tendrán lugar en cualquier  ordenador  cuántico real. Hasta ahora solo era posible tratar un error u otro, pero nunca los dos al mismo tiempo. Este avance significa dar un  paso  necesario  para  corregir  los  errores  cuánticos, lo cual es un requisito fundamental para construir un ordenador cuántico de uso práctico, fiable y de gran escala.

El  nuevo  y  complejo  circuito cuántico, basado en un entramado de cuatro qubit  superconductores  sobre  un  chip  de  aproximadamente  un cuarto de pulgada  cuadrada, permite detectar los dos tipos de error al mismo tiempo.
Al  optar por un diseño con forma cuadrada en vez de un segmento lineal –el cual  impide  la  posibilidad  de detectar las dos clases de error de forma simultánea-,  el  diseño  de  IBM  muestra  el gran potencial de aumento de dimensión,  al poder añadir más qubits que lleven a un sistema cuántico con uso práctico.

Por  ejemplo,  en  física y química, una ordenador cuántico podría permitir que  los científicos diseñaran nuevos materiales o componentes de medicinas sin  tener  que  hacer  costosos  experimentos y pruebas de laboratorio. En definitiva, se podría innovar más rápidamente en muchas industrias.

En un mundo donde se consume cada día una mayor e inmensa cantidad de datos –big data-, los ordenadores cuánticos podrían analizar rápidamente bases de datos  enormes,  así  como  repositorios  de  datos  no estructurados. Esta capacidad  podría  transformar  la toma de decisiones y la investigación en
diferentes   campos   de   actividad   hasta  el  punto  de  hacer  grandes
descubrimientos.

Uno  de  los grandes retos de los científicos que reconocen el potencial de la  computación  cuántica  es  evitar la falta de coherencia (decoherencia) cuántica  –la  generación  de errores durante los cálculos causados por las interferencias  de  factores como el calor, la radiación electromagnética y otros  defectos  de los materiales-. Estos errores son especialmente graves en las máquinas cuánticas ya que la información cuántica es muy frágil.

“Hasta  ahora, los investigadores eran capaces de detectar errores bit-flip y  bit-phase,  pero  nunca  juntos. Los trabajos previos, que se basaban en segmentos  lineales,  solo  se  centraban  en los errores bit-flip, lo cual ofrecía  información  incompleta  sobre el estado cuántico del sistema y lo hacía  inadecuado  para  un  ordenador cuántico”, ha afirmado Jay Gambetta, manager  de  IBM  Quantum  Computing  Group.  “Los  resultados  de  nuestra arquitectura  nos  llevan a superar este obstáculo al permitir detectar los dos  tipos de error y poder ampliar la detección a sistemas mayores, ya que los  qubits  están  colocados  en  un  entramado  cuadrado  en vez de en un segmento lineal”, ha añadido Gambetta.

El  proyecto  de  IBM  cuenta  con  fondos de un programa del IARPA por sus siglas en inglés (Intelligence Advanced Research Projects Activity).

Detección de errores cuánticos

La  pieza  más  básica de información que un ordenador puede entender es un bit.  De  una manera similar a la luz, que puede estar encendida o apagada, un  bit  puede  tener  únicamente  uno de dos valores: el “1” o el “0”. Sin embargo,  los  bits  cuánticos  (qubit) pueden tener uno de los dos valores –“1”  o “0”- pero también pueden tener los dos valores a la vez, lo cual se describe  como  superposición  y  se  denomina como “0+1”. La señal de esta superposición  es  importante  porque ambos estados de “0” y “1” tienen una relación de fase. Esta propiedad de superposición es lo que permite que los ordenadores  cuánticos  elijan  una  solución  correcta  entre  millones de posibilidades con mucha más rapidez que los ordenadores convencionales.

En  este  estado  de  superposición  se pueden producir dos errores. Uno de ellos  se denomina error bit-flip, que simplemente cambia e1 0 al sitio del
1  o  viceversa.  Es  similar a los errores clásicos de bit-flip y trabajos previos  han  mostrado  cómo  detectar  este tipo de errores en qubits. Sin embargo, en la corrección cuántica esto no es suficiente, ya que también se pueden  producir  errores  de cambio de fase o phase-flip, que modifican la relación entre 0 y 1 en una superposición. Ambos tipos de error deben poder ser detectados para que un ordenador cuántico funcione adecuadamente.

La  información  cuántica  es  muy frágil porque la tecnología existente de qubit  pierde  información  cuando  entra  en  contacto con la materia y la radiación electromagnética. Los teóricos han descubierto diferentes maneras de preservar la información más tiempo distribuyéndola sobre  muchos qubits físicos.  El nombre técnico con el que se denomina el esquema de corrección de errores que disemina la información cuántica en muchos qubits es “Código de  superficie”  (Surface  code).  Este  permite  codificar un qubit lógico únicamente  en  interacciones  cercanas,  lo  suficientemente  estable para realizar operaciones sin errores.

El  equipo  de IBM Research ha utilizado diferentes técnicas para medir los estados  de  dos  síntomas  independientes  (medida)  de  qubits.  Cada uno revelaba  un  aspecto  de  la  información cuántica almacenada en otros dos qubits  (denominado  código  o  datos de qubit). Uno de los síntomas reveló cuándo  ocurría  un  error  bit-flip  en  cualquiera de los códigos qubits, mientras  que  el  otro síntoma reveló si se producía el error de cambio de fase. Determinar la información cuántica conjunta en un código de qubits es un  paso  esencial  para  la  corrección  de errores cuánticos porque medir
directamente  los  códigos  de  qubits   destruye  la información que estos
contienen.

Puesto  que  estos  qubits  pueden  ser  diseñados  y fabricados utilizando técnicas  estandarizadas  de fabricación del silicio, IBM anticipa que, una vez  que  se puedan producir de forma fiable y repetida unos pocos qubits y controlados  con una tasa baja de errores, no habrá grandes obstáculos para demostrar la corrección de errores en mayores entramados de qubits.