Las computadoras cuánticas podrían superar a las computadoras clásicas en muchas tareas, pero solo si los errores que son una parte inevitable de las tareas computacionales son eventos aislados en lugar de generalizados. Ahora, Investigadores de la Universidad de Wisconsin-Madison han encontrado evidencia de que los errores están correlacionados en todo un chip de computación cuántica superconductora, lo que destaca un problema que debe reconocerse y abordarse en la búsqueda de computadoras cuánticas tolerantes a fallas.

Los investigadores informan sus hallazgos en un estudio publicado el 16 de junio en la revista Naturaleza , En tono rimbombante, su trabajo también apunta a estrategias de mitigación.

"Creo que la gente ha abordado el problema de la corrección de errores de una manera demasiado optimista, asumiendo ciegamente que los errores no están correlacionados, "dice el profesor de física de la UW-Madison, Robert McDermott, autor principal del estudio. "Nuestros experimentos muestran absolutamente que los errores están correlacionados, pero a medida que identificamos problemas y desarrollamos una comprensión física profunda, vamos a encontrar formas de solucionarlos ".

Los bits en una computadora clásica pueden ser un 1 o un 0, pero los qubits en una computadora cuántica pueden ser 1, 0, o una mezcla arbitraria (una superposición) de 1 y 0. Bits clásicos, luego, solo puede cometer errores de volteo de bits, como cuando un 1 cambia a 0. Qubits, sin embargo, puede cometer dos tipos de error:cambios de bits o cambios de fase, donde cambia un estado de superposición cuántica.

Para corregir errores, las computadoras deben monitorearlos a medida que ocurren. Pero las leyes de la física cuántica dicen que solo se puede monitorear un tipo de error a la vez en un solo qubit, por lo que se ha propuesto un inteligente protocolo de corrección de errores llamado código de superficie. El código de superficie involucra una gran variedad de qubits conectados; algunos hacen el trabajo computacional, mientras que otros son monitoreados para inferir errores en los qubits computacionales. Sin embargo, el protocolo de código de superficie funciona de manera confiable solo si los eventos que causan errores están aislados, afectando como máximo a unos pocos qubits.

En experimentos anteriores, El grupo de McDermott había visto indicios de que algo estaba causando que varios qubits se voltearan al mismo tiempo. En este nuevo estudio, preguntaron directamente:¿son estos giros independientes? o están correlacionados?

El equipo de investigación diseñó un chip de cuatro qubits hecho de los elementos superconductores niobio y aluminio. Los científicos enfrían el chip a casi cero absoluto, lo que lo convierte en superconductor y lo protege de interferencias que causan errores del entorno exterior.

Para evaluar si los cambios de qubit estaban correlacionados, los investigadores midieron las fluctuaciones en la carga de compensación para los cuatro qubits. La carga de compensación fluctuante es efectivamente un cambio en el campo eléctrico en el qubit.

El equipo observó largos períodos de relativa estabilidad seguidos de saltos repentinos en la carga de compensación. Cuanto más cerca estaban dos qubits juntos, más probable era que saltaran al mismo tiempo. Estos cambios repentinos probablemente fueron causados ​​por rayos cósmicos o radiación de fondo en el laboratorio. que ambos liberan partículas cargadas. Cuando una de estas partículas golpea el chip, libera cargas que afectan a los qubits cercanos.

Este efecto local se puede mitigar fácilmente con simples cambios de diseño. La mayor preocupación es lo que podría suceder a continuación.

"Si nuestro modelo sobre impactos de partículas es correcto, entonces esperaríamos que la mayor parte de la energía se convierta en vibraciones en el chip que se propagan a largas distancias, "dice Chris Wilen, estudiante de posgrado y autor principal del estudio. "A medida que la energía se propaga, la perturbación daría lugar a cambios de qubit que se correlacionan en todo el chip ".

En su siguiente serie de experimentos, ese efecto es exactamente lo que vieron. Midieron los saltos de carga en un qubit, como en los experimentos anteriores, luego usó la sincronización de estos saltos para alinear las mediciones de los estados cuánticos de otros dos qubits. Esos dos qubits siempre deben estar en el estado computacional 1. Sin embargo, los investigadores encontraron que cada vez que veían un salto de carga en el primer qubit, los otros dos, sin importar lo lejos que estén en el chip, rápidamente pasaron del estado computacional 1 al estado 0.

"Es un efecto de largo alcance, y es realmente dañino "Dice Wilen." Está destruyendo la información cuántica almacenada en qubits ".

Aunque este trabajo podría verse como un revés en el desarrollo de las computadoras cuánticas superconductoras, los investigadores creen que sus resultados orientarán nuevas investigaciones hacia este problema. Los grupos de UW-Madison ya están trabajando en estrategias de mitigación.

"A medida que nos acercamos al objetivo final de una computadora cuántica tolerante a fallas, vamos a identificar un nuevo problema tras otro, "Dice McDermott." Esto es solo parte del proceso de aprender más sobre el sistema, proporcionando un camino hacia la implementación de diseños más resistentes ".