El nerfecto de Pobody, ni siquiera el indiferente, calculando bits que son la base de las computadoras. Pero el grupo de JQI Fellow Christopher Monroe, junto con colegas de la Universidad de Duke, hemos progresado para garantizar que podamos confiar en los resultados de las computadoras cuánticas incluso cuando están construidas a partir de piezas que a veces fallan. Han demostrado en un experimento, por primera vez, que un conjunto de piezas de computación cuántica puede ser mejor que las peores partes utilizadas para hacerlo. En un artículo publicado en la revista Naturaleza el 4 de octubre, 2021, el equipo compartió cómo dieron este paso histórico hacia la confiabilidad, ordenadores cuánticos prácticos.

En su experimento, los investigadores combinaron varios qubits, la versión cuántica de los bits, de modo que funcionaran juntos como una sola unidad llamada qubit lógico. Crearon el qubit lógico basado en un código de corrección de errores cuánticos para que, a diferencia de los qubits físicos individuales, los errores se pueden detectar y corregir fácilmente, y lo hicieron para ser tolerante a fallas, capaz de contener errores para minimizar sus efectos negativos.

"Los qubits compuestos de iones atómicos idénticos son nativamente muy limpios por sí mismos, "dice Monroe, quien también es miembro del Centro Conjunto de Información Cuántica y Ciencias de la Computación y profesor de College Park en el Departamento de Física de la Universidad de Maryland. "Sin embargo, en algún momento, cuando se requieren muchos qubits y operaciones, los errores deben reducirse aún más, y es más sencillo agregar más qubits y codificar la información de manera diferente. La belleza de los códigos de corrección de errores para iones atómicos es que pueden ser muy eficientes y se pueden activar de forma flexible a través de controles de software ".

Esta es la primera vez que se ha demostrado que un qubit lógico es más confiable que el paso más propenso a errores requerido para hacerlo. El equipo pudo poner con éxito el qubit lógico en su estado inicial y medirlo el 99,4% del tiempo, a pesar de depender de seis operaciones cuánticas que se espera individualmente que funcionen solo alrededor del 98,9% del tiempo.

Puede que eso no parezca una gran diferencia, pero es un paso crucial en la búsqueda de construir computadoras cuánticas mucho más grandes. Si las seis operaciones cuánticas fueran trabajadores de la línea de montaje, cada uno enfocado en una tarea, la línea de montaje sólo produciría el estado inicial correcto el 93,6% del tiempo (98,9% multiplicado por sí mismo seis veces), aproximadamente diez veces peor que el error medido en el experimento. Esa mejora se debe a que en el experimento las piezas imperfectas trabajan juntas para minimizar la posibilidad de que los errores cuánticos agraven y arruinen el resultado. similar a los trabajadores atentos que detectan los errores de los demás.

Los resultados se lograron utilizando el sistema de trampa de iones de Monroe en UMD, que utiliza hasta 32 átomos cargados individuales (iones) que se enfrían con láseres y se suspenden sobre electrodos en un chip. Luego usan cada ion como un qubit manipulándolo con láseres.

"Tenemos 32 rayos láser, "dice Monroe." Y los átomos son como patos en fila; cada uno con su propio rayo láser totalmente controlable. Pienso en ello como si los átomos formaran una cuerda lineal y lo tocáramos como una cuerda de guitarra. Lo estamos arrancando con láseres que encendemos y apagamos de forma programable. Y esa es la computadora; esa es nuestra unidad central de procesamiento ".

Al crear con éxito un qubit lógico tolerante a fallas con este sistema, los investigadores han demostrado que con cuidado, los diseños creativos tienen el potencial de liberar a la computación cuántica de las limitaciones de los inevitables errores del estado actual de la técnica. Los qubits lógicos tolerantes a fallas son una forma de eludir los errores en los qubits modernos y podrían ser la base de computadoras cuánticas que son confiables y lo suficientemente grandes para usos prácticos.

Corregir errores y tolerar fallas

Desarrollar qubits tolerantes a fallas capaces de corregir errores es importante porque la ley de Murphy es implacable:no importa qué tan bien construya una máquina, eventualmente algo sale mal. En una computadora cualquier bit o qubit tiene alguna posibilidad de fallar ocasionalmente en su trabajo. Y los muchos qubits involucrados en una computadora cuántica práctica significan que hay muchas oportunidades para que se introduzcan errores.

Afortunadamente, Los ingenieros pueden diseñar una computadora para que sus piezas funcionen juntas para detectar errores, como mantener la información importante en una copia de seguridad en un disco duro adicional o hacer que una segunda persona lea su correo electrónico importante para detectar errores tipográficos antes de enviarlo. Tanto las personas como las unidades tienen que estropear un error para sobrevivir. Si bien se necesita más trabajo para terminar la tarea, la redundancia ayuda a asegurar la calidad final.

Algunas tecnologías predominantes, como teléfonos móviles y módems de alta velocidad, actualmente utilizan la corrección de errores para ayudar a garantizar la calidad de las transmisiones y evitar otros inconvenientes. La corrección de errores mediante una simple redundancia puede disminuir la posibilidad de que se produzca un error no detectado siempre que su procedimiento no sea incorrecto con más frecuencia de lo que es correcto, por ejemplo, enviar o almacenar datos por triplicado y confiar en el voto mayoritario puede reducir la posibilidad de un error de uno en cien a menos de uno en mil.

Entonces, aunque la perfección nunca esté al alcance, la corrección de errores puede hacer que el rendimiento de una computadora sea tan bueno como se requiere, siempre que pueda pagar el precio de utilizar recursos adicionales. Los investigadores planean utilizar la corrección de errores cuánticos para complementar de manera similar sus esfuerzos para hacer mejores qubits y permitirles construir computadoras cuánticas sin tener que conquistar todos los errores que sufren los dispositivos cuánticos.

"¿Qué tiene de asombroso la tolerancia a fallas? es una receta sobre cómo tomar piezas pequeñas y poco fiables y convertirlas en un dispositivo muy fiable, "dice Kenneth Brown, profesor de ingeniería eléctrica e informática en Duke y coautor del artículo. "Y la corrección de errores cuánticos tolerante a fallas nos permitirá fabricar computadoras cuánticas muy confiables a partir de partes cuánticas defectuosas".

Pero la corrección de errores cuánticos tiene desafíos únicos:los qubits son más complejos que los bits tradicionales y pueden fallar en más formas. No puedes simplemente copiar un qubit, o incluso simplemente verifique su valor en medio de un cálculo. La razón por la que los qubits son ventajosos es que pueden existir en una superposición cuántica de múltiples estados y pueden enredarse mecánicamente cuánticamente entre sí. Para copiar un qubit, debe saber exactamente qué información está almacenando actualmente; en términos físicos, debe medirla. Y una medición lo coloca en un solo estado cuántico bien definido, destruyendo cualquier superposición o entrelazamiento sobre el que se basa el cálculo cuántico.

Entonces, para la corrección de errores cuánticos, debe corregir los errores en los bits que no está permitido copiar o incluso mirar demasiado de cerca. Es como revisar con los ojos vendados. A mediados de la década de 1990, Los investigadores comenzaron a proponer formas de hacer esto utilizando las sutilezas de la mecánica cuántica, pero las computadoras cuánticas están llegando al punto en el que pueden poner a prueba las teorías.

La idea clave es hacer un qubit lógico a partir de qubits físicos redundantes de una manera que pueda verificar si los qubits están de acuerdo en ciertos hechos de la mecánica cuántica sin conocer el estado de ninguno de ellos individualmente.

No se puede mejorar el átomo

Hay muchos códigos de corrección de errores cuánticos propuestos para elegir, y algunos son más naturales para un enfoque particular para crear una computadora cuántica. Cada forma de hacer una computadora cuántica tiene sus propios tipos de errores, así como fortalezas únicas. Por lo tanto, la construcción de una computadora cuántica práctica requiere comprender y trabajar con los errores y ventajas particulares que su enfoque trae a la mesa.

La computadora cuántica basada en trampa de iones con la que trabajan Monroe y sus colegas tiene la ventaja de que sus qubits individuales son idénticos y muy estables. Dado que los qubits son iones cargados eléctricamente, cada qubit puede comunicarse con todos los demás en la línea a través de empujones eléctricos, dando libertad en comparación con los sistemas que necesitan una conexión sólida con los vecinos inmediatos.

"Son átomos de un elemento e isótopo en particular, por lo que son perfectamente replicables, "dice Monroe." Y cuando almacena coherencia en los qubits y los deja en paz, existe esencialmente para siempre. Entonces, el qubit cuando se deja solo es perfecto. Para hacer uso de ese qubit, tenemos que pincharlo con láseres, tenemos que hacerle cosas, tenemos que sujetar el átomo con electrodos en una cámara de vacío, todas esas cosas técnicas tienen ruido, y pueden afectar el qubit ".

Para el sistema de Monroe, la mayor fuente de errores son las operaciones de entrelazado:la creación de enlaces cuánticos entre dos qubits con pulsos de láser. Las operaciones de entrelazado son partes necesarias del funcionamiento de una computadora cuántica y de la combinación de qubits en qubits lógicos. Entonces, aunque el equipo no puede esperar hacer que sus qubits lógicos almacenen información de manera más estable que los qubits de iones individuales, corregir los errores que ocurren al enredar qubits es una mejora vital.

Los investigadores seleccionaron el código Bacon-Shor como una buena combinación para las ventajas y debilidades de su sistema. Para este proyecto, solo necesitaban 15 de los 32 iones que su sistema puede soportar, y dos de los iones no se usaron como qubits, sino que solo se necesitaron para obtener un espacio uniforme entre los otros iones. Para el código, utilizaron nueve qubits para codificar de forma redundante un solo qubit lógico y cuatro qubits adicionales para seleccionar ubicaciones donde ocurrieron posibles errores. Con esa información, los qubits defectuosos detectados pueden, En teoria, ser corregido sin que la "cuantidad" de los qubits se vea comprometida midiendo el estado de cualquier qubit individual.

"La parte clave de la corrección de errores cuánticos es la redundancia, por eso necesitábamos nueve qubits para obtener un qubit lógico, "dice el estudiante graduado de JQI Laird Egan, quien es el primer autor del artículo. "Pero esa redundancia nos ayuda a buscar errores y corregirlos, porque un error en un solo qubit puede ser protegido por los otros ocho ".

El equipo utilizó con éxito el código Bacon-Shor con el sistema de trampa de iones. El qubit lógico resultante requirió seis operaciones de entrelazado, cada una con una tasa de error esperada entre 0,7% y 1,5%. Pero gracias al cuidadoso diseño del código, estos errores no se combinan en una tasa de error aún mayor cuando las operaciones de entrelazamiento se utilizaron para preparar el qubit lógico en su estado inicial.

El equipo solo observó un error en la preparación y medición del qubit el 0,6% del tiempo, menos que el error más bajo esperado para cualquiera de las operaciones de entrelazado individuales. Luego, el equipo pudo mover el qubit lógico a un segundo estado con un error de solo 0.3%. El equipo también introdujo errores intencionalmente y demostró que podían detectarlos.

"Esta es realmente una demostración de cómo la corrección de errores cuánticos mejora el rendimiento de los componentes subyacentes por primera vez, ", dice Egan." Y no hay ninguna razón por la que otras plataformas no puedan hacer lo mismo a medida que escalan. Es realmente una prueba de concepto de que la corrección de errores cuánticos funciona ".

A medida que el equipo continúa esta línea de trabajo, dicen que esperan lograr un éxito similar en la construcción de puertas lógicas cuánticas aún más desafiantes a partir de sus qubits, realizar ciclos completos de corrección de errores donde los errores detectados se corrigen activamente, y entrelazar varios qubits lógicos juntos.

"Hasta este artículo, todos se han centrado en hacer un qubit lógico, "dice Egan." Y ahora que hemos creado uno, eran como, 'Los qubits lógicos únicos funcionan, entonces, ¿qué puedes hacer con dos? '"

Además de Monroe, Brown y Egan, los otros coautores del artículo son los siguientes:el científico investigador de JQI Marko Cetina; Andrew Risinger, estudiantes de posgrado de JQI, Daiwei Zhu y Debopriyo Biswas; Dripto M. Debroy, estudiante de posgrado en física de la Universidad de Duke; Los investigadores posdoctorales de la Universidad de Duke Crystal Noel y Michael Newman; y el estudiante graduado del Instituto de Tecnología de Georgia, Muyuan Li.