Los descubrimientos muestran por primera vez la capacidad de detectar y medir los dos tipos de errores cuánticos que ocurrirán en cualquier computadora cuántica real.

Los científicos de IBM revelaron dos avances críticos con miras a la creación de una computadora cuántica práctica. Por primera vez, mostraron la capacidad de detectar y medir ambos tipos de errores cuánticos simultáneamente, además de demostrar un nuevo diseño de circuito de bit cuántico, de formato cuadrado, que es la única arquitectura física cuya escala podría aumentarse con éxito a mayores dimensiones.

Mientras que la Ley de Moore pierde fuerza, la computación cuántica estará entre las invenciones que podrían inaugurar una nueva era de la innovación a lo largo de los sectores de industria más diversos. Las computadoras cuánticas prometen abrir nuevas capacidades en los campos de optimización y simulación que simplemente no serían posibles con las computadoras actuales. Si se pudiera construir una computadora cuántica con solo 50 bits cuánticos (qubits), ninguna combinación de las supercomputadoras de la lista actual TOP500 lograría superarla en desempeño.

Los descubrimientos de IBM, descritos en la edición 29 de la publicación Nature Communications, muestran por primera vez la capacidad de detectar y medir los dos tipos de errores cuánticos (bit-flip o inversión de bit y phase-flip o inversión de fase) que ocurrirán en cualquier computadora cuántica real. Hasta ahora, solo era posible abordar un tipo de error cuántico o el otro, pero nunca ambos al mismo tiempo. Este es un paso necesario en el avance hacia la corrección de errores cuánticos, que constituye un requisito crítico para construir una computadora cuántica a gran escala que sea práctica y confiable.

El novedoso y complejo circuito de bit cuántico de IBM, basado sobre un entramado cuadrado de cuatro qubits superconductores en un chip que es de aproximadamente un cuarto de pulgada, permite que se detecten ambos tipos de errores cuánticos al mismo tiempo. Al optar por un diseño de forma cuadrada en lugar de una disposición lineal – lo cual previene la detección de ambos tipos de errores cuánticos en simultáneo – el diseño de IBM muestra el mejor potencial para aumentar la escala, al agregar más qubits para alcanzar un sistema cuántico que funcione.

Por ejemplo, en física y química, la computación cuántica podría permitir a los científicos diseñar nuevos materiales y compuestos farmacológicos sin tener que realizar costosos experimentos de prueba y error en el laboratorio, lo cual aceleraría sustancialmente la velocidad y el ritmo de la innovación en muchos sectores de la industria.

Para un mundo consumido por Big Data, las computadoras cuánticas podrían realizar rápidamente la clasificación y curaduría de cantidades cada vez mayores de bases de datos así como almacenes masivos de datos diversos y no estructurados. Ello podría transformar la manera en que las personas toman decisiones y el modo en que los investigadores en una serie de sectores realizan descubrimientos críticos.

Uno de los grandes retos para científicos que buscan aprovechar el poder de la computación cuántica consiste en controlar o eliminar la decoherencia cuántica: la creación de errores en cálculos causada por la interferencia de factores tales como calor, radiación electromagnética y defectos de materiales. Los errores son especialmente agudos en máquinas cuánticas, ya que la información cuántica es muy frágil.

“Hasta ahora, los investigadores habían podido detectar los errores cuánticos bit-flip o phase-flip, pero nunca ambos juntos. Los trabajos previos en esta área, que utilizan disposiciones lineales, solo estudiaban los errores bit-flip, que ofrecían información incompleta sobre el estado cuántico de un sistema y resultan inadecuados para una computadora cuántica”, señaló Jay Gambetta, gerente de IBM Quantum Computing Group. “Nuestros resultados de cuatro qubits nos permiten superar este obstáculo, al detectar ambos tipos de errores cuánticos y habilitar una escalabilidad a sistemas mayores, ya que los qubits se disponen en un entramado cuadrado, y no en forma lineal”.

El trabajo realizado en IBM fue parcialmente financiado por el programa de operaciones multi-qubit coherente IARPA (Intelligence Advanced Research Projects Activity).

Detección de errores cuánticos

La unidad más básica de información que una computadora típica puede comprender es un bit. Del mismo modo en que un haz de luz puede encenderse o apagarse, un bit puede tener uno solo de dos valores: “1” o “0”. Sin embargo, un bit cuántico (qubit) puede tener un valor de 1 o 0 así como ambos valores al mismo tiempo, lo cual se describe como superposición, y se denota simplemente como “0+1”. El signo de esta superposición es importante porque ambos estados, 0 y 1, tienen una relación de fase entre sí. Esta propiedad de superposición es lo que permite que las computadoras cuánticas elijan la solución correcta entre millones de posibilidades, con una velocidad muy superior a una computadora convencional.

En ese estado de superposición pueden ocurrir dos tipos de error: uno es un error bit-flip, que simplemente cambia un 0 por un 1 y viceversa. Esto es similar a los errores de inversión de bits clásicos, y trabajos anteriores han demostrado cómo detectar estos errores en qubits. Sin embargo, esto no basta para la corrección de errores cuánticos porque también pueden estar presentes los errores phase-flip, que cambian el signo de la relación de fase entre 0 y 1 en un estado de superposición. Ambos tipos de error deben ser detectados para que la corrección de errores cuánticos funcione correctamente.

La información cuántica es muy frágil, porque todas las tecnologías de qubit existentes pierden su información cuando interactúan con la materia y la radiación electromagnética. Los teóricos encontraron formas de preservar la información durante mucho más tiempo, al extender la información entre muchos qubits físicos. El “código de superficie” es el nombre técnico de un esquema específico de corrección de errores, que distribuye la información cuántica entre muchos qubits. Permite que solo las interacciones entre vecinos más cercanos codifiquen un qubit lógico, dotándolo de la estabilidad suficiente como para realizar operaciones sin errores.

El equipo de IBM Research usó una variedad de técnicas para medir los estados de dos qubits de síndrome (medición) independiente, cada uno de los cuales revela un aspecto de la información cuántica almacenada en dos qubits adicionales (llamados qubits de datos, o código). Específicamente, un qubit de síndrome reveló si ocurrió un error bit-flip debido a alguno de los dos qubits de código, mientras que el otro qubit de síndrome reveló si ocurrió un error phase-flip. Determinar la información cuántica conjunta en los qubits de código es un paso esencial para la corrección de errores cuánticos porque la medición directa de los códigos qubits permite destruir la información contenida en ellos.

Como estos qubits pueden ser diseñados y fabricados usando técnicas de fabricación de silicio estándares, IBM anticipa que una vez que un puñado de qubits superconductores pueda fabricarse en forma confiable y repetible, y ser controlado con bajas tasas de error, no habrá ningún obstáculo fundamental para demostrar la corrección de errores en entramados de qubits mayores.

Estos resultados ponen de relieve el largo compromiso de IBM con el procesamiento de información cuántica, que data desde hace más de 30 años, cuando IBM participó en el primer taller en este campo, en la Física de Información en 1981.