Detectar los errores en los datos es una cosa, pero corregirlos todavía es posible a nivel de computación cuántica. Crédito:Shutterstock / andriano cz
La potencia informática ha crecido exponencialmente durante muchas décadas, entonces, ¿por qué tarda tanto en llegar el tan prometido próximo salto de las computadoras cuánticas?
Una razón es que la información en un sistema cuántico es sensible al ruido que induce a errores de una manera que no lo es la información clásica. Este ruido está en todas partes e inevitable, que surgen de oscilaciones microscópicas de átomos y electrones en toda la materia. Así que tenemos que inventar nuevas formas de lidiar con los errores cuánticos.
Cuando realiza una llamada telefónica en una red congestionada, o rayar un CD, la tecnología aún puede funcionar:las conversaciones siguen siendo comprensibles y la música aún se reproduce.
Esto se debe a que estos dispositivos utilizan códigos de corrección de errores:incluso si los errores corrompen el flujo de datos sin procesar, la información lógica importante aún se puede reconstruir. Y estos se pueden adaptar para la computación cuántica.
Un tiempo en el que puedes contar
Para ver cómo funciona esto para la codificación clásica, considere la solución utilizada por los primeros navegantes.
Sabían que la longitud podía calcularse a partir de la elevación del Sol siempre que se conociera el tiempo en el puerto base, de ahí el imperativo naval de construir con precisión, relojes estables.
Idealmente, un reloj sería suficiente, pero ¿y si algo salió mal? Dos relojes son mejores siempre que ambos estén de acuerdo. Pero si no están de acuerdo ¿lo cual está bien? Con tres relojes, un voto mayoritario permite al cronometrador detectar y reiniciar un reloj descarriado.
Para datos binarios, representado por 0 y 1, la repetición protege la información:un bit lógico "0" se representa en tres bits físicos como 000, mientras que "1" se representa como 111.
Supongamos que durante la transmisión de datos de "0", la última parte física se volteó accidentalmente, de modo que el mensaje recibido sea 001. El destinatario vería inmediatamente que un error había corrompido los datos.
Más lejos, tomando una mayoría de votos, adivinaría que un error afectó el tercer bit físico, y decodificar correctamente el bit lógico:"0". Siempre que los errores sean raros, el código de repetición permitirá que los datos lógicos se transmitan de forma fiable a través de un ruido, canal propenso a errores.
Desconocidas conocidas
Una arruga cuántica en esta imagen es que involucra una "medición". El receptor sabe exactamente qué bits físicos recibió (001 en el ejemplo, encima), lo que implica que tenía que medirlos (es decir, Míralos).
Pero la mecánica cuántica nos dice que el acto de medir cambia fundamentalmente el estado de un sistema cuántico. Simplemente midiendo bits cuánticos (qubits) cambia el mensaje.
Entonces, un receptor cuántico no puede medir los qubits directamente, pero todavía necesita averiguar si se han producido errores, y donde.
Para resolver esto, volvemos al código de repetición como guía. En lugar de mirar los valores de los bits, en su lugar, el receptor podría hacer las siguientes dos preguntas:
Si no hubo errores, la respuesta a ambas preguntas sería "sí", independientemente de si el mensaje era 000 o 111.
Pero si el último bit sufrió un error (recibiendo 001 o 110), la respuesta a la pregunta 1 sería "sí", pero la pregunta 2 sería "no". De esta respuesta, el destinatario puede inferir la existencia de un error y su ubicación.
Similar, un error en el primer bit será revelado por el patrón Q1 ="No", Q2 ="Sí". Un error en el bit del medio será revelado por Q1 =Q2 ="No". Por lo tanto, cualquier error individual será determinado de forma única por estas respuestas, y se puede reparar.
Sabiendo qué bit físico sufrió un error, ella lo arreglaría volteando deliberadamente ese bit, para revertir el efecto del error original. Esto puede suceder sin conocer el estado de la broca dañada.
Tenga en cuenta que responder a estas preguntas solo requiere un conocimiento comparativo de los bits recibidos. No depende de su valor particular, ni la información lógica codificada.
Este principio captura la esencia de los códigos de corrección de errores cuánticos. Nos permite identificar errores simultáneamente y evitar dañar la información cuántica.
En lugar de medir el valor de los qubits físicos individuales, Se hacen una serie de preguntas comparativas:"¿Los qubits del grupo A son iguales entre sí?", "¿Los qubits del grupo B son iguales entre sí?" etcétera. Las respuestas a estas preguntas dan pistas sobre el paradero de los errores, pero sin revelar el mensaje en sí.
Estas respuestas luego se utilizan para inferir y corregir los posibles errores.
La información cuántica lógica está codificada en otra combinación de qubits, que medimos sólo cuando realmente queremos descubrir el estado cuántico lógico.
Este enfoque es activo, y computacionalmente costoso para grandes conjuntos de datos. Para algunas aplicaciones, es necesario. Pero si los ingenieros de la década de 1940 se habían enfrentado a una lucha similar para desarrollar las primeras computadoras, Sospecho que la computadora portátil en la que estoy escribiendo esto nunca se habría construido.
Estabilidad magnética
En lugar de, ellos fueron afortunados, como la naturaleza misma hace la corrección clásica de errores de forma gratuita. Los imanes son increíblemente estables, por lo que se utilizan para almacenar grandes cantidades de información en discos duros casi sin corrección de errores activa.
Los imanes son solo colecciones de muchos átomos magnéticos que tienden a alinear sus ejes magnéticos entre sí, por lo que todos señalan "norte".
Si un rayo cósmico patea espontáneamente la orientación magnética de un átomo, sus vecinos atómicos ejercen una fuerza magnética que lo realinea con la dirección mayoritaria. Por lo tanto, un imán puede considerarse como un trozo de materia que se corrige pasivamente por error, por mayoría local.
Desafortunadamente para las computadoras cuánticas, no conocemos tal estado pasivamente estable de materia cuántica. De hecho, tenemos pruebas matemáticas de que tal materia no puede existir en un universo bidimensional, mientras que puede en un universo de cuatro dimensiones.
Hasta aquí, no sabemos si existe materia cuántica pasivamente estable en nuestro propio universo tridimensional.
Sabemos que con suficientes habilidades y recursos, podemos corregir activamente los errores cuánticos.
Pero construir una memoria cuántica es un desafío continuo. No hay nada como un "imán cuántico" para almacenar fácilmente información cuántica para nosotros. Tenemos que diseñar y construir un sistema de este tipo desde cero, casi literalmente átomo por átomo.
Una de las primeras tareas importantes que realizará una computadora cuántica es realizar la corrección de errores cuánticos en sí misma. Aunque esto suene prosaico, será la primera instancia en nuestro universo conocido de materia verdaderamente cuántica.
Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Lea el artículo original. 
