Descripción general de una computadora cuántica de átomos neutros tolerante a fallas que utiliza conversión de borrado. un Esquema de una computadora cuántica de átomos neutros, con un plano de átomos bajo un objetivo de microscopio utilizado para obtener imágenes de fluorescencia y proyectar campos de captura y control. b Los qubits físicos son individuales 171 átomos de Yb. Los estados de qubit están codificados en los 6s metaestables 6p 3 P0 F = 1/2 nivel (subespacio Q), y las puertas de dos qubits se realizan a través del estado de Rydberg |r⟩|r⟩\left|r\right\rangle, al que se accede a través de una transición de un solo fotón (λ = 302 nm) con frecuencia Rabi Ω. Los errores dominantes durante las puertas son decaimientos de |r⟩|r⟩\left|r\right\rangle con una tasa total Γ = ΓB + ΓR + ΓQ . Solo una pequeña fracción ΓQ /Γ ≈ 0.05 regresan al subespacio qubit, mientras que las desintegraciones restantes son transiciones de cuerpo negro (BBR) a estados cercanos de Rydberg (ΓB /Γ ≈ 0.61) o decaimiento radiativo al estado fundamental 6s 2 1 S 0 (ΓR /Γ ≈ 0.34). Al final de una puerta, estos eventos se pueden detectar y convertir en errores de borrado detectando la fluorescencia de los átomos en estado fundamental (subespacio R), o ionizando cualquier población de Rydberg restante a través de la autoionización, y recolectando la fluorescencia en el Yb + transición (subespacio B). c Un parche del código de superficie XZZX estudiado en este trabajo, que muestra qubits de datos (círculos abiertos), qubits ancilla (círculos rellenos) y operaciones estabilizadoras, realizadas en el orden indicado por las flechas. d Circuito cuántico que representa una medida de un estabilizador en qubits de datos D 1 − D 4 usando ancilla A 1 con pasos de conversión de borrado intercalados. La detección de borrado se aplica después de cada puerta y los átomos borrados se reemplazan de un depósito según sea necesario utilizando una pinza óptica móvil. Solo es estrictamente necesario reemplazar el átomo que se detectó que había dejado el subespacio, pero reemplazar ambos protege contra la posibilidad de una fuga no detectada en el segundo átomo. Crédito:Comunicaciones de la naturaleza (2022). DOI:10.1038/s41467-022-32094-6
Los investigadores han descubierto un nuevo método para corregir errores en los cálculos de las computadoras cuánticas, eliminando potencialmente un obstáculo importante para un nuevo y poderoso ámbito de la computación.
En las computadoras convencionales, corregir errores es un campo bien desarrollado. Cada teléfono celular requiere verificaciones y arreglos para enviar y recibir datos a través de ondas de radio desordenadas. Las computadoras cuánticas ofrecen un enorme potencial para resolver ciertos problemas complejos que son imposibles para las computadoras convencionales, pero este poder depende de aprovechar los comportamientos extremadamente fugaces de las partículas subatómicas. Estos comportamientos informáticos son tan efímeros que incluso mirarlos para comprobar si hay errores puede provocar el colapso de todo el sistema.
En un artículo que describe una nueva teoría para la corrección de errores, publicado el 9 de agosto en Nature Communications , un equipo interdisciplinario dirigido por Jeff Thompson, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en Princeton, y los colaboradores Yue Wu y Shruti Puri en la Universidad de Yale y Shimon Kolkowitz en la Universidad de Wisconsin-Madison, demostraron que podían mejorar drásticamente el funcionamiento de una computadora cuántica. tolerancia a fallas y reducir la cantidad de información redundante necesaria para aislar y corregir errores. La nueva técnica aumenta la tasa de error aceptable cuatro veces, del 1 % al 4 %, lo cual es práctico para las computadoras cuánticas actualmente en desarrollo.
"El desafío fundamental para las computadoras cuánticas es que las operaciones que desea realizar son ruidosas", dijo Thompson, lo que significa que los cálculos son propensos a innumerables modos de falla.
En una computadora convencional, un error puede ser tan simple como que un poco de memoria pase accidentalmente de un 1 a un 0, o tan complicado como que un enrutador inalámbrico interfiera con otro. Un enfoque común para manejar tales fallas es incorporar cierta redundancia, de modo que cada pieza de datos se compare con copias duplicadas. Sin embargo, ese enfoque aumenta la cantidad de datos necesarios y crea más posibilidades de errores. Por lo tanto, solo funciona cuando la gran mayoría de la información ya es correcta. De lo contrario, comparar datos erróneos con datos erróneos conduce a un pozo de error más profundo.
"Si su tasa de error de referencia es demasiado alta, la redundancia es una mala estrategia", dijo Thompson. "Poner por debajo de ese umbral es el principal desafío".
En lugar de centrarse únicamente en reducir la cantidad de errores, el equipo de Thompson esencialmente hizo que los errores fueran más visibles. El equipo profundizó en las causas físicas reales del error y diseñó su sistema para que la fuente de error más común elimine efectivamente, en lugar de simplemente corromper, los datos dañados. Thompson dijo que este comportamiento representa un tipo particular de error conocido como "error de borrado", que es fundamentalmente más fácil de eliminar que los datos dañados pero que aún se parecen a todos los demás datos.
En una computadora convencional, si un paquete de información supuestamente redundante aparece como 11001, podría ser arriesgado suponer que los 1 ligeramente más frecuentes son correctos y los 0 son incorrectos. Pero si la información aparece como 11XX1, donde los bits corruptos son evidentes, el caso es más convincente.
"Estos errores de borrado son mucho más fáciles de corregir porque sabes dónde están", dijo Thompson. "Pueden ser excluidos del voto mayoritario. Esa es una gran ventaja".
Los errores de borrado se entienden bien en la computación convencional, pero los investigadores no habían considerado previamente tratar de diseñar computadoras cuánticas para convertir errores en borrados, dijo Thompson.
Como cuestión práctica, su sistema propuesto podría soportar una tasa de error del 4,1%, lo que, según Thompson, está dentro del ámbito de las posibilidades de las computadoras cuánticas actuales. En sistemas anteriores, la corrección de errores de última generación podía manejar menos del 1 % de error, lo que, según Thompson, está al límite de la capacidad de cualquier sistema cuántico actual con una gran cantidad de qubits.
La capacidad del equipo para generar errores de borrado resultó ser un beneficio inesperado de una elección que hizo Thompson hace años. Su investigación explora los "qubits de átomos neutros", en los que la información cuántica (un "qubit") se almacena en un solo átomo. Fueron pioneros en el uso del elemento iterbio para este propósito. Thompson dijo que el grupo eligió iterbio en parte porque tiene dos electrones en su capa más externa de electrones, en comparación con la mayoría de los otros qubits de átomos neutros, que tienen solo uno.
"Lo considero una navaja suiza, y este iterbio es la navaja suiza más grande y gorda", dijo Thompson. "Ese poco más de complejidad que obtienes al tener dos electrones te brinda muchas herramientas únicas".
Un uso de esas herramientas adicionales resultó ser útil para eliminar errores. El equipo propuso bombear los electrones en iterbio y desde su "estado fundamental" estable a estados excitados llamados "estados metaestables", que pueden tener una vida prolongada en las condiciones adecuadas pero son inherentemente frágiles. Contrariamente a la intuición, los investigadores proponen utilizar estos estados para codificar la información cuántica.
"Es como si los electrones estuvieran en la cuerda floja", dijo Thompson. Y el sistema está diseñado para que los mismos factores que causan el error también hagan que los electrones caigan de la cuerda floja.
Como beneficio adicional, una vez que caen al estado fundamental, los electrones dispersan la luz de una manera muy visible, por lo que iluminar una colección de qubits de iterbio hace que solo se enciendan los defectuosos. Los que se encienden deben descartarse como errores.
Este avance requirió combinar conocimientos tanto en hardware de computación cuántica como en la teoría de la corrección de errores cuánticos, aprovechando la naturaleza interdisciplinaria del equipo de investigación y su estrecha colaboración. Si bien la mecánica de esta configuración es específica de los átomos de iterbio de Thompson, dijo que la idea de diseñar qubits cuánticos para generar errores de borrado podría ser un objetivo útil en otros sistemas, de los cuales hay muchos en desarrollo en todo el mundo, y es algo que el el grupo continúa trabajando.
"Consideramos que este proyecto establece un tipo de arquitectura que podría aplicarse de muchas maneras diferentes", dijo Thompson, y agregó que otros grupos ya comenzaron a diseñar sus sistemas para convertir errores en borrados. "Ya estamos viendo mucho interés en encontrar adaptaciones para este trabajo".
Como siguiente paso, el grupo de Thompson ahora está trabajando para demostrar la conversión de errores en borrados en una pequeña computadora cuántica en funcionamiento que combina varias decenas de qubits.
El documento, "Conversión de borrado para computación cuántica tolerante a fallas en conjuntos de átomos Rydberg de tierras alcalinas", se publicó el 9 de agosto en Nature Communications. . Agregar qubits lógicos a la computadora cuántica Sycamore reduce la tasa de error
