La tecnología detrás de las computadoras cuánticas del futuro se está desarrollando rápidamente, con varios enfoques diferentes en curso. Muchas de las estrategias, o "planos, "porque las computadoras cuánticas se basan en átomos o circuitos eléctricos artificiales similares a átomos. En un nuevo estudio teórico publicado en la revista Revisión física X , un grupo de físicos de Caltech demuestra los beneficios de un enfoque menos estudiado que no se basa en átomos sino en moléculas.

"En el mundo cuántico, tenemos varios planos sobre la mesa y simultáneamente los estamos mejorando todos, "dice el autor principal, Victor Albert, el Becario Postdoctoral Lee A. DuBridge en Física Teórica. "La gente ha estado pensando en usar moléculas para codificar información desde 2001, pero ahora estamos mostrando cómo las moléculas, que son más complejos que los átomos, podría conducir a menos errores en la computación cuántica ".

En el corazón de las computadoras cuánticas se encuentran los llamados qubits. Estos son similares a los bits de las computadoras clásicas, pero a diferencia de los bits clásicos, pueden experimentar un fenómeno extraño conocido como superposición en el que existen en dos estados o más a la vez. Como el famoso experimento mental del gato de Schrödinger, que describe a un gato que está vivo y muerto al mismo tiempo, las partículas pueden existir en múltiples estados a la vez. El fenómeno de la superposición está en el corazón de la computación cuántica:el hecho de que los qubits puedan adoptar muchas formas simultáneamente significa que tienen exponencialmente más poder de computación que los bits clásicos.

Pero el estado de superposición es delicado, como los qubits son propensos a colapsar fuera de sus estados deseados, y esto conduce a errores de cálculo.

"En la informática clásica, tienes que preocuparte de que los bits se muevan, en el que un bit '1' pasa a un '0' o viceversa, que causa errores, "dice Albert." Esto es como lanzar una moneda, y es difícil de hacer. Pero en la computación cuántica, la información se almacena en superposiciones frágiles, e incluso el equivalente cuántico de una ráfaga de viento puede provocar errores ".

Sin embargo, si una plataforma de computadora cuántica usa qubits hechos de moléculas, los investigadores dicen, Es más probable que este tipo de errores se eviten que en otras plataformas cuánticas. Un concepto detrás de la nueva investigación proviene del trabajo realizado hace casi 20 años por los investigadores de Caltech John Preskill, Richard P. Feynman Profesor de Física Teórica y director del Instituto de Información y Materia Cuántica (IQIM), y Alexei Kitaev, el profesor Ronald y Maxine Linde de Física Teórica y Matemáticas en Caltech, junto con su colega Daniel Gottesman (Ph.D. '97) del Perimeter Institute en Ontario, Canadá. En aquel momento, los científicos propusieron una laguna jurídica que proporcionaría una forma de evitar un fenómeno llamado principio de incertidumbre de Heisenberg, que fue introducido en 1927 por el físico alemán Werner Heisenberg. El principio establece que no se puede saber simultáneamente con muy alta precisión dónde está una partícula y hacia dónde se dirige.

"Hay una broma en la que un oficial de policía detiene a Heisenberg y dice que sabe que la velocidad de Heisenberg era de 90 millas por hora, y Heisenberg responde, 'Ahora no tengo ni idea de dónde estoy, '", dice Albert.

El principio de incertidumbre es un desafío para las computadoras cuánticas porque implica que los estados cuánticos de los qubits no pueden conocerse lo suficientemente bien como para determinar si se han producido errores o no. Sin embargo, Gottesman, Kitaev, y Preskill descubrió que, si bien la posición exacta y el impulso de una partícula no se podían medir, fue posible detectar cambios muy pequeños en su posición e impulso. Estos cambios podrían revelar que se ha producido un error, haciendo posible devolver el sistema al estado correcto. Este esquema de corrección de errores, conocido como GKP por sus descubridores, se ha implementado recientemente en dispositivos de circuitos superconductores.

"Los errores están bien, pero solo si sabemos que ocurren, "dice Preskill, coautor del artículo de Physical Review X y también coordinador científico de un nuevo centro científico financiado por el Departamento de Energía llamado Quantum Systems Accelerator. "El objetivo de la corrección de errores es maximizar la cantidad de conocimiento que tenemos sobre errores potenciales".

En el nuevo periódico, este concepto se aplica a moléculas rotativas en superposición. Si la orientación o el momento angular de la molécula se desplaza en una pequeña cantidad, esos cambios pueden corregirse simultáneamente.

"Queremos rastrear la información cuántica a medida que evoluciona bajo el ruido, "dice Albert." El ruido nos patea un poco. Pero si tenemos una superposición cuidadosamente elegida de los estados de las moléculas, podemos medir tanto la orientación como el momento angular siempre que sean lo suficientemente pequeños. Y luego podemos retroceder el sistema para compensar ".

Jacob Covey, coautor del artículo y ex becario postdoctoral de Caltech que recientemente se unió a la facultad de la Universidad de Illinois, dice que podría ser posible eventualmente controlar individualmente moléculas para su uso en sistemas de información cuántica como estos. Él y su equipo han avanzado en el uso de rayos láser ópticos, o "pinzas, "para controlar átomos neutros individuales (los átomos neutros son otra plataforma prometedora para los sistemas de información cuántica).

"El atractivo de las moléculas es que son estructuras muy complejas que pueden estar muy densamente empaquetadas, "dice Covey." Si podemos descubrir cómo utilizar moléculas en la computación cuántica, podemos codificar información de manera robusta y mejorar la eficiencia en la que se empaquetan los qubits ".

Albert dice que el trío de él mismo, Pre-habilidad, y Covey proporcionó la combinación perfecta de experiencia teórica y experimental para lograr los últimos resultados. Preskill y él son teóricos, mientras que Covey es un experimentalista. "Fue muy agradable tener a alguien como John para ayudarme con el marco de toda esta teoría de códigos de corrección de errores, y Jake nos brindó una guía crucial sobre lo que está sucediendo en los laboratorios ".

Dice Preskill, "Este es un artículo que ninguno de los tres podría haber escrito por nuestra cuenta. Lo que es realmente divertido sobre el campo de la información cuántica es que nos anima a interactuar a través de algunas de estas divisiones". y Caltech, con su pequeño tamaño, es el lugar perfecto para hacer esto ".

los Revisión física X El estudio se titula "Codificación robusta de un qubit en una molécula".