El equipo de la Universidad de Arizona avanza en los códigos de corrección de errores cuánticos. Crédito:Universidad de Arizona
Cuando las computadoras comparten información entre sí, la información se codifica en bits, luego decodificado de nuevo en su forma original. En el proceso, partes de la información a veces se mezclan, o perdido. Como ejemplo simplificado, un correo electrónico descodificado incorrectamente que dice "Te estoy enviando el dinero" podría llegar a su destino diciendo "No te estoy enviando el dinero".
Otro ejemplo:cuando guarda un documento en su computadora, espera que contenga la misma información cuando lo vuelva a abrir. Y, si le pide a una computadora que resuelva la ecuación 2 + 2, debe confiar en que escupirá 4. Esto es aún más importante para las ecuaciones complejas que no puede calcular usted mismo, como los valores de x, y y z en la ecuación diofántica x 3 + y 3 + z 3 =42.
Bane Vasic, profesor de ingeniería eléctrica e informática y director del Laboratorio de corrección de errores de la Facultad de ingeniería de la Universidad de Arizona, se especializa en códigos de corrección de errores, que aseguran que la información compartida y calculada por las computadoras sea correctamente decodificada antes de llegar a su destino. También estudia la tolerancia a fallas, o la capacidad de una computadora o red de computadoras para continuar funcionando cuando falla uno o más de sus componentes.
Vasic ha sido fundamental en el desarrollo de una clase de códigos de corrección de errores, denominados códigos de verificación de paridad de baja densidad, o códigos LDPC:se utilizan ampliamente en comunicaciones clásicas y almacenamiento de datos. En un proyecto financiado con $ 1.1 millones de la National Science Foundation, Vasic se ha asociado con Saikat Guha en la Facultad de Ciencias Ópticas James C. Wyant para probar la viabilidad de los códigos LDPC cuánticos en computadoras cuánticas por primera vez.
Aplicar una técnica clásica a las redes cuánticas
Mientras x 3 + y 3 + z 3 =42 es una ecuación compleja, es posible resolver para x, yyz con computación clásica. De hecho, en 2019, un grupo de científicos utilizó una red de computadoras clásicas para hacer precisamente eso. Tomó más de un millón de horas de cálculo. La computación cuántica tiene el potencial de resolver ecuaciones como esta en solo segundos.
"A través de la computación cuántica, podremos analizar fenómenos muy complicados, y para resolver problemas que no pueden resolverse con computadoras clásicas. Y esto se hará muy rápido, "Vasic dijo." Hay aplicaciones en biología; medicamento; finanzas; la simulación de física, sistemas químicos y biológicos; el descubrimiento de nuevos materiales; y el diseño de moléculas ".
¿Cómo es esto posible? La computación clásica almacena información en unidades llamadas bits, que existen como 0 o 1. La computación cuántica utiliza unidades llamadas qubits, que pueden existir en múltiples estados simultáneamente. La superposición de estados es lo que permite una velocidad ultrarrápida, Computación futurista. Sin embargo, como los qubits se realizan físicamente como partículas subatómicas, este estado es muy frágil de crear y mantener, haciendo que los qubits sean más propensos a errores, o decoherencia, que bits.
Los físicos teóricos ahora especulan que los qubits también son los que componen el espacio-tiempo, o el tejido del universo. Y una investigación reciente ha indicado que la corrección de errores cuánticos explica por qué el espacio-tiempo es tan robusto, a pesar de sus frágiles bloques de construcción.
De hecho, Los qubits son tan sensibles que el mero hecho de medirlos puede provocar cambios. Ahora, La corrección de errores cuánticos implica primero observar cuidadosamente los qubits y registrar los hallazgos como información clásica. Luego, una computadora clásica calcula lo que está mal, y los científicos transfieren la información de corrección de errores al sistema cuántico.
"En este proyecto, estamos investigando métodos en los que no dejamos el mundo cuántico, por lo que todas las operaciones también serán cuánticas, ", Dijo Vasic." Queremos explorar si la decodificación se puede realizar procesando información cuántica ".
Transmitir mensajes para mitigar el ruido
Las computadoras de hoy están formadas por miles de millones de bloques de construcción básicos llamados puertas lógicas. Estas puertas aplican diferentes operaciones a la información binaria que se procesa. Por ejemplo, uno de los tipos de puertas más simples es una puerta NO, que transforma los bits en sus opuestos introduciendo 0 y emitiendo 1 y viceversa. Sin embargo, A veces, la interferencia de la señal y el ruido hacen que las puertas cometan errores. lo que conduce a resultados incorrectos. Las puertas cuánticas realizan operaciones más versátiles y exóticas que sus parientes clásicos, pero son más ruidosos y propensos a errores.
Los códigos de corrección de errores entrelazan los qubits de una manera muy específica para que los qubits se estabilicen entre sí. Los decodificadores de Vasic permiten que los qubits pasen información entre sí de un lado a otro. En inteligencia artificial se utilizan algoritmos de paso de mensajes similares. Ninguno de los bits individuales tiene un conocimiento completo del valor de otros bits, pero juntos, a través del paso de mensajes, aprenden colectivamente si hay errores y exactamente en qué bits están ubicados. Este nuevo proyecto se enfoca en desarrollar una versión cuántica de tales algoritmos de inteligencia artificial.
"La mayor ventaja de los códigos LDPC es que admiten este tipo de algoritmos de paso de mensajes, que son tolerantes a fallas, "Vasic dijo." En sistemas cuánticos, tenemos que tener tolerancia a fallas, porque, debido al mayor nivel de ruido, las puertas cuánticas son órdenes de magnitud más ruidosas y menos fiables que las puertas lógicas clásicas ".
Vasic y varios otros miembros de la facultad de ingeniería también forman parte del recién creado Centro de Redes Cuánticas, un cinco años, $ 26 millones NSF Engineering Research Center dirigido por la Universidad de Arizona. El centro dirigida por Guha, tiene como objetivo sentar las bases de la Internet cuántica, y la corrección de errores representa una pieza fundamental de la empresa.
"Esta es una pieza que falta para realizar redes y computadoras cuánticas, ", Dijo Vasic." Estos códigos LDPC cuánticos son la próxima generación de códigos que se utilizarán, pero tenemos que desarrollar algoritmos para decodificar de manera eficiente y tolerante a fallas ".
"Con la reciente contratación de varios miembros nuevos de la facultad que se especializan en ingeniería cuántica, el colegio y la universidad se están posicionando a la vanguardia de este campo, "dijo David W. Hahn, Craig M. Berge decano de la Facultad de Ingeniería. "Tenemos la suerte de contar con investigadores como el Dr. Vasic que aportan su experiencia y conocimientos invaluables".
