Impresión artística de operaciones de puerta en bits cuánticos lógicos, que están protegidos de fallas por medio de corrección de errores cuánticos. Crédito:Johannes Knünz
En las computadoras modernas, los errores durante el procesamiento y almacenamiento de información se han convertido en una rareza debido a la fabricación de alta calidad. Sin embargo, para aplicaciones críticas, donde incluso los errores individuales pueden tener efectos graves, todavía se utilizan mecanismos de corrección de errores basados en la redundancia de los datos procesados.
Las computadoras cuánticas son inherentemente mucho más susceptibles a las perturbaciones y, por lo tanto, probablemente siempre requerirán mecanismos de corrección de errores, porque de lo contrario, los errores se propagarán sin control en el sistema y se perderá información. Debido a que las leyes fundamentales de la mecánica cuántica prohíben copiar información cuántica, se puede lograr la redundancia distribuyendo información cuántica lógica en un estado entrelazado de varios sistemas físicos, por ejemplo, múltiples átomos individuales.
El equipo dirigido por Thomas Monz del Departamento de Física Experimental de la Universidad de Innsbruck y Markus Müller de la Universidad RWTH Aachen y Forschungszentrum Jülich en Alemania ha logrado por primera vez realizar un conjunto de operaciones computacionales en dos bits cuánticos lógicos que pueden utilizarse para implementar cualquier operación posible. "Para una computadora cuántica del mundo real, necesitamos un conjunto universal de puertas con las que podamos programar todos los algoritmos", explica Lukas Postler, un físico experimental de Innsbruck.
Operación cuántica fundamental realizada
El equipo de investigadores implementó este conjunto de puertas universales en una computadora cuántica de trampa de iones con 16 átomos atrapados. La información cuántica se almacenó en dos bits cuánticos lógicos, cada uno distribuido en siete átomos.
Ahora, por primera vez, ha sido posible implementar dos puertas computacionales en estos bits cuánticos tolerantes a fallas, que son necesarios para un conjunto universal de puertas:una operación computacional en dos bits cuánticos (una puerta CNOT) y una T lógica compuerta, que es particularmente difícil de implementar en bits cuánticos tolerantes a fallas.
"Las puertas T son operaciones muy fundamentales", explica el físico teórico Markus Müller. "Son particularmente interesantes porque los algoritmos cuánticos sin puertas T se pueden simular con relativa facilidad en computadoras clásicas, negando cualquier posible aceleración. Esto ya no es posible para los algoritmos con puertas T". Los físicos demostraron la puerta T preparando un estado especial en un bit cuántico lógico y teletransportándolo a otro bit cuántico a través de una operación de puerta entrelazada.
Fundamental building blocks for fault-tolerant quantum computing demonstrated. Credit:Uni Innsbruck/Harald Ritsch
Complexity increases, but accuracy also
In encoded logical quantum bits, the stored quantum information is protected from errors. But this is useless without computational operations and these operations are themselves error-prone.
The researchers have implemented operations on the logical qubits in such a way that errors caused by the underlying physical operations can also be detected and corrected. Thus, they have implemented the first fault-tolerant implementation of a universal set of gates on encoded logical quantum bits.
"The fault-tolerant implementation requires more operations than non-fault-tolerant operations. This will introduce more errors on the scale of single atoms, but nevertheless the experimental operations on the logical qubits are better than non-fault-tolerant logical operations," Thomas Monz is pleased to report. "The effort and complexity increase, but the resulting quality is better." The researchers also checked and confirmed their experimental results using numerical simulations on classical computers.
The physicists have now demonstrated all the building blocks for fault-tolerant computing on a quantum computer. The task now is to implement these methods on larger and hence more useful quantum computers. The methods demonstrated in Innsbruck on an ion trap quantum computer can also be used on other architectures for quantum computers.
La investigación fue publicada en Nature . Error-protected quantum bits entangled for the first time
