Los frágiles qubits que componen las computadoras cuánticas ofrecen una poderosa herramienta computacional, pero también presentan un enigma:¿Cómo pueden los ingenieros crear sistemas cuánticos prácticos y viables a partir de bits que son tan fácilmente perturbados (y borrados de datos) por pequeños cambios en su entorno?
Los ingenieros han luchado durante mucho tiempo para lograr que las computadoras cuánticas sean menos propensas a errores, a menudo desarrollando formas de detectar y corregir errores en lugar de prevenirlos en primer lugar. Sin embargo, muchos de estos esquemas de corrección de errores implican duplicar información en cientos o miles de qubits físicos a la vez, lo que rápidamente resulta difícil de ampliar de manera eficiente.
Ahora, un equipo de científicos dirigido por investigadores de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular (PME) de la Universidad de Chicago ha desarrollado el modelo de una computadora cuántica que puede corregir errores de manera más eficiente. El sistema utiliza un nuevo marco, basado en códigos cuánticos de verificación de paridad de baja densidad (qLDPC), que pueden detectar errores observando la relación entre bits, así como un nuevo hardware que involucra matrices de átomos reconfigurables, que permiten que los qubits se comuniquen entre sí. más vecinos y por lo tanto permitir que los datos qLDPC se codifiquen en menos qubits.
"Con este plan propuesto, hemos reducido los gastos generales necesarios para la corrección de errores cuánticos, lo que abre nuevas vías para ampliar las computadoras cuánticas", dijo Liang Jiang, profesor de ingeniería molecular y autor principal del nuevo trabajo, publicado en Física de la Naturaleza .
Mientras que las computadoras estándar dependen de bits digitales (en una posición encendida o apagada) para codificar datos, los qubits pueden existir en estados de superposición, lo que les da la capacidad de abordar nuevos problemas computacionales. Sin embargo, las propiedades únicas de los qubits también los hacen increíblemente sensibles a su entorno; cambian de estado según la temperatura circundante y el electromagnetismo.
"Los sistemas cuánticos son intrínsecamente ruidosos. Realmente no hay forma de construir una máquina cuántica que no tenga errores", dijo Qian Xu, un estudiante graduado de PME que dirigió el nuevo trabajo. "Es necesario tener una forma de realizar una corrección activa de errores si desea ampliar su sistema cuántico y hacerlo útil para tareas prácticas".
Durante las últimas décadas, los científicos han recurrido principalmente a un tipo de corrección de errores, llamado códigos de superficie, para sistemas cuánticos. En estos sistemas, se codifica simultáneamente la misma información lógica en muchos bits físicos, dispuestos en una gran cuadrícula bidimensional. Los errores se pueden deducir comparando los qubits con sus vecinos directos. Una discrepancia sugiere que un qubit falló.
"El problema con esto es que se necesita una enorme sobrecarga de recursos", dijo Xu. "En algunos de estos sistemas, se necesitan mil qubits físicos por cada qubit lógico, por lo que a largo plazo no creemos que podamos ampliar esto a computadoras muy grandes".
En su nuevo sistema, Jiang, Xu y sus colegas de la Universidad de Harvard, Caltech, la Universidad de Arizona y QuEra Computing pretendían utilizar códigos qLDPC para corregir errores. Este tipo de corrección de errores se había considerado durante mucho tiempo, pero no se había implementado en un plan realista.
Con los códigos qLDPC, los datos en qubits no sólo se comparan con los vecinos directos sino también con qubits más lejanos. Permite utilizar una cuadrícula más pequeña de qubits para lograr la misma cantidad de comparaciones para la corrección de errores. Sin embargo, este tipo de comunicación a larga distancia entre qubits siempre había sido el punto conflictivo en la implementación de qLDPC.
A los investigadores se les ocurrió una solución en forma de nuevo hardware:átomos reconfigurables que se pueden mover con láseres para permitir que los qubits hablen con nuevos socios.
"Con los sistemas de matrices atómicas reconfigurables actuales, podemos controlar y manipular más de mil qubits físicos con alta fidelidad y conectar qubits separados por una gran distancia", dijo Harry Zhou de la Universidad de Harvard y QuEra Computing. "Al hacer coincidir la estructura de los códigos cuánticos y estas capacidades de hardware, podemos implementar estos códigos qLDPC más avanzados con solo unas pocas líneas de control, poniendo su realización al alcance de los sistemas experimentales actuales".
Cuando combinaron códigos qLDPC con matrices de átomos neutros reconfigurables, el equipo pudo lograr una mejor tasa de error que usar códigos de superficie con solo unos pocos cientos de qubits físicos. Al ampliarlos, los algoritmos cuánticos que involucran miles de qubits lógicos podrían lograrse con menos de 100.000 qubits físicos, mucho más eficientes que los códigos de superficie estándar.
"Todavía hay redundancia en términos de codificación de datos en múltiples qubits físicos, pero la idea es que hemos reducido esa redundancia mucho", dijo Xu.
El marco sigue siendo teórico, aunque los científicos están desarrollando rápidamente plataformas de conjuntos de átomos que avanzan hacia el uso práctico de la computación cuántica con corrección de errores. El equipo de PME ahora está trabajando para perfeccionar aún más su plan y garantizar que los qubits lógicos que dependen de códigos qLDPC y matrices de átomos reconfigurables se puedan utilizar en la computación.
"Creemos que a largo plazo esto nos permitirá construir ordenadores cuánticos muy grandes con tasas de error más bajas", afirmó Xu.
Más información: Qian Xu et al, Computación cuántica tolerante a fallas de sobrecarga constante con matrices de átomos reconfigurables, Física de la naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02479-z
Información de la revista: Física de la Naturaleza
Proporcionado por la Universidad de Chicago
