Independientemente de lo que constituya las entrañas de una computadora cuántica, todos sus rápidos cálculos se reducen a secuencias de instrucciones simples aplicadas a qubits, las unidades básicas de información dentro de una computadora cuántica.

Si esa computadora está construida a partir de cadenas de iones, uniones de superconductores, o chips de silicio, resulta que un puñado de operaciones sencillas, que afectan solo a uno o dos qubits a la vez, puede mezclar y combinar para crear cualquier programa de computadora cuántica, una característica que hace que un puñado en particular sea "universal". Los científicos llaman a estas operaciones simples puertas cuánticas, y han pasado años optimizando la forma en que encajan las puertas. Han reducido drásticamente el número de puertas (y qubits) necesarios para un cálculo determinado y han descubierto cómo hacerlo todo mientras se aseguran de que los errores no se introduzcan y provoquen una falla.

Ahora, Los investigadores de JQI han descubierto formas de implementar sistemas Puertas resistentes a errores que utilizan solo un número constante de bloques de construcción simples, logrando esencialmente la mejor reducción posible en un parámetro llamado profundidad de circuito. Sus hallazgos, que se aplican a las computadoras cuánticas basadas en códigos de corrección de errores cuánticos topológicos, fueron reportados en dos artículos publicados recientemente en las revistas Cartas de revisión física y Revisión física B , y ampliado en un tercer artículo publicado anteriormente en la revista. Cuántico.

La profundidad del circuito cuenta el número de puertas que afectan a cada qubit, y una profundidad constante significa que el número de puertas necesarias para una operación determinada no aumentará a medida que la computadora crezca, una necesidad si se quiere mantener a raya los errores. Esta es una característica prometedora para computadoras cuánticas robustas y universales, dice Maissam Barkeshli, becario de JQI y profesor asociado de física en la Universidad de Maryland (UMD).

"Hemos descubierto que una gran clase de operaciones en estados topológicos de la materia y códigos de corrección de errores topológicos pueden implementarse a través de circuitos unitarios de profundidad constante, "dice Barkeshli, quien también es miembro del Centro de Teoría de la Materia Condensada en UMD.

A diferencia de otros tipos de computadoras cuánticas, Las computadoras cuánticas construidas sobre la corrección de errores topológicos, que hasta ahora solo se han estudiado teóricamente, no almacenan información en qubits físicos individuales. En lugar de, distribuyen la información de un solo qubit entre una red de muchos qubits, o más exóticamente, a través de materiales topológicos especiales.

Esta mancha de información proporciona resistencia contra fragmentos de luz perdidos o vibraciones diminutas (perturbaciones cuánticas que pueden causar errores) y permite detectar pequeños errores y luego corregirlos activamente durante un cálculo. Es una de las principales ventajas que ofrecen los ordenadores cuánticos basados ​​en la corrección de errores topológicos. Pero la ventaja tiene un costo:si el ruido no puede llegar a la información fácilmente, tú tampoco puedes.

Hasta ahora parecía que operar una computadora cuántica requería pequeños, cambios secuenciales en la red que almacena la información, a menudo representada como una cuadrícula o celosía en dos dimensiones. A tiempo, estos pequeños cambios se suman y mueven efectivamente una región del enrejado en un bucle alrededor de otra región, dejando la red con el mismo aspecto que cuando comenzó.

Estas transformaciones de la red se conocen como trenzas porque los patrones que trazan en el espacio y el tiempo parecen cabello trenzado o una barra de pan trenzada. Si imagina apilar instantáneas de la red como panqueques, formarán, paso a paso, una trenza abstracta. Dependiendo de la física subyacente de la red, incluidos los tipos de partículas, llamado anyons, que pueden saltar sobre él, estas trenzas pueden ser suficientes para ejecutar cualquier programa cuántico.

En el nuevo trabajo los autores demostraron que el trenzado se puede lograr casi instantáneamente. Atrás quedaron los diagramas anudados, reemplazado por reordenamientos in situ de la red.

"Era una especie de dogma de libro de texto que estas trenzas solo se pueden hacer adiabáticamente o muy lentamente para evitar crear errores en el proceso, "dice Guanyu Zhu, un ex investigador postdoctoral de JQI que actualmente es miembro del personal de investigación en el Centro de Investigación IBM Thomas J. Watson. "Sin embargo, en este trabajo, nos dimos cuenta de que, en lugar de regiones que se mueven lentamente con anónimas alrededor, podríamos simplemente estirar o apretar el espacio entre ellos en un número constante de pasos ".

La nueva receta requiere dos ingredientes. Uno es la capacidad de realizar modificaciones locales que reconfiguran las interacciones entre los qubits físicos que componen la red. Esta parte no es muy diferente de lo que requiere el trenzado ordinario, pero se supone que ocurre en paralelo a lo largo de la región que se está trenzando. El segundo ingrediente es la capacidad de intercambiar la información en qubits físicos que no están cerca unos de otros, potencialmente incluso en las esquinas opuestas de la región de trenzado.

Este segundo requisito es una gran demanda para algún hardware de computación cuántica, pero los autores dicen que hay sistemas que naturalmente podrían soportarlo.

"Una variedad de plataformas experimentales con conectividad de largo alcance podrían respaldar nuestro esquema, incluyendo trampas de iones, sistemas QED de circuitos con resonadores de líneas de transmisión largas, arquitecturas modulares con cavidades superconductoras, y dispositivos fotónicos de silicio, "dice Zhu." O podría imaginarse el uso de plataformas con qubits móviles. Uno puede pensar en plataformas como computadoras cuánticas fluidas, donde los qubits pueden fluir libremente a través del movimiento clásico ".

En el papel de Cartas de revisión física , los autores proporcionaron instrucciones explícitas sobre cómo lograr sus trenzas instantáneas en una clase particular de códigos cuánticos topológicos. En el Revisión física B y Cuántico documentos, extendieron este resultado a un entorno más general e incluso examinaron cómo se aplicaría a un código topológico en el espacio hiperbólico (donde, Adicionalmente, agregar un nuevo qubit manchado requiere agregar solo un número constante de qubits físicos a la red).

Los autores aún no han descubierto cómo sus nuevas técnicas de trenzado se combinarán con los objetivos adicionales de detectar y corregir errores; eso sigue siendo un problema abierto para futuras investigaciones.

"Esperamos que nuestros resultados sean útiles en última instancia para establecer la posibilidad de una computación cuántica tolerante a fallas con una sobrecarga espacio-temporal constante," "dice Barkeshli.