Los laboratorios de todo el mundo están compitiendo para desarrollar nuevos dispositivos informáticos y de detección que operen según los principios de la mecánica cuántica y podrían ofrecer ventajas dramáticas sobre sus contrapartes clásicas. Pero estas tecnologías aún enfrentan varios desafíos, y uno de los más importantes es cómo lidiar con el "ruido", fluctuaciones aleatorias que pueden erradicar los datos almacenados en dichos dispositivos.

Un nuevo enfoque desarrollado por investigadores del MIT podría proporcionar un importante paso adelante en la corrección de errores cuánticos. El método implica ajustar el sistema para abordar los tipos de ruido que son más probables, en lugar de lanzar una red amplia para tratar de atrapar todas las posibles fuentes de perturbación.

El análisis se describe en la revista Cartas de revisión física , en un artículo del estudiante graduado del MIT David Layden, postdoctorado Mo Chen y la profesora de ciencia e ingeniería nuclear Paola Cappellaro.

"Los principales problemas que enfrentamos ahora en el desarrollo de tecnologías cuánticas son que los sistemas actuales son pequeños y ruidosos, "dice Layden. Ruido, lo que significa perturbación no deseada de cualquier tipo, es especialmente molesto porque muchos sistemas cuánticos son inherentemente altamente sensibles, una característica subyacente a algunas de sus aplicaciones potenciales.

Y hay otro problema Layden dice:que es que los sistemas cuánticos se ven afectados por cualquier observación. Entonces, mientras que uno puede detectar que un sistema clásico está a la deriva y aplicar una corrección para empujarlo hacia atrás, las cosas son más complicadas en el mundo cuántico. "Lo realmente complicado de los sistemas cuánticos es que cuando los miras, tiendes a colapsarlos, " él dice.

Los esquemas clásicos de corrección de errores se basan en la redundancia. Por ejemplo, en un sistema de comunicación sujeto a ruido, en lugar de enviar un solo bit (1 o 0), se pueden enviar tres copias de cada uno (111 o 000). Luego, si los tres bits no coinciden, que muestra que hubo un error. Cuantas más copias de cada bit se envíen, más eficaz puede ser la corrección de errores.

El mismo principio esencial podría aplicarse para agregar redundancia en bits cuánticos, o "qubits". Pero, Layden dice:"Si quiero tener un alto grado de protección, Necesito dedicar una gran parte de mi sistema a hacer este tipo de comprobaciones. Y esto no es nada en este momento porque tenemos sistemas bastante pequeños; simplemente no tenemos los recursos para realizar una corrección de errores cuánticos particularmente útil de la forma habitual ". los investigadores encontraron una manera de enfocar la corrección de errores de manera muy estricta en los tipos específicos de ruido que eran más frecuentes.

El sistema cuántico con el que están trabajando consiste en núcleos de carbono cerca de un tipo particular de defecto en un cristal de diamante llamado centro vacante de nitrógeno. Estos defectos se comportan como solteros, electrones aislados, y su presencia permite el control de los núcleos de carbono cercanos.

Pero el equipo descubrió que la abrumadora mayoría del ruido que afecta a estos núcleos proviene de una sola fuente:fluctuaciones aleatorias en los propios defectos cercanos. Esta fuente de ruido se puede modelar con precisión, y suprimir sus efectos podría tener un impacto importante, ya que otras fuentes de ruido son relativamente insignificantes.

"De hecho, entendemos bastante bien la principal fuente de ruido en estos sistemas, "Layden dice." Así que no tenemos que lanzar una red amplia para atrapar cada tipo de ruido hipotético ".

El equipo ideó una estrategia de corrección de errores diferente, adaptado para contrarrestar este particular, fuente dominante de ruido. Como Layden lo describe, el ruido proviene de "este defecto central, o este único electrón central, 'que tiene una tendencia a saltar al azar. Se estremece ".

Ese nerviosismo Sucesivamente, es sentido por todos esos núcleos cercanos, de una manera predecible que pueda corregirse.

"El resultado de nuestro enfoque es que podemos obtener un nivel fijo de protección utilizando muchos menos recursos de los que serían necesarios de otra manera, ", dice." Podemos utilizar un sistema mucho más pequeño con este enfoque dirigido ".

El trabajo hasta ahora es teórico, y el equipo está trabajando activamente en una demostración de laboratorio de este principio en acción. Si funciona como se esperaba, esto podría constituir un componente importante de las futuras tecnologías cuánticas de varios tipos, los investigadores dicen, incluidas las computadoras cuánticas que potencialmente podrían resolver problemas previamente irresolubles, o sistemas de comunicaciones cuánticas que podrían ser inmunes a espionaje, o sistemas de sensores de alta sensibilidad.

"Este es un componente que se puede utilizar de varias formas, Layden dice. Es como si estuviéramos desarrollando una parte clave de un motor. Todavía estamos muy lejos de construir un auto completo pero hemos avanzado en una parte fundamental ".

"La corrección de errores cuánticos es el próximo desafío para el campo, "dice Alexandre Blais, profesor de física en la Universidad de Sherbrooke, en Canadá, que no estaba asociado con este trabajo. "La complejidad de los códigos de corrección de errores cuánticos actuales es, sin embargo, desalentadores, ya que requieren una gran cantidad de qubits para codificar de forma robusta la información cuántica ".

Blais agrega, "Ahora nos hemos dado cuenta de que aprovechar nuestra comprensión de los dispositivos en los que se implementará la corrección de errores cuánticos puede ser muy ventajoso. Este trabajo hace una contribución importante en esta dirección al mostrar que un tipo común de error puede corregirse en de una manera mucho más eficiente de lo esperado. Para que las computadoras cuánticas sean prácticas, necesitamos más ideas como esta ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.