Un sistema de bits cuánticos se autochequea en busca de errores

Cuando los científicos desarrollen un ordenador cuántico completo, el mundo de la informática vivirá una revolución en sofisticación, velocidad y eficiencia energética que hará que incluso nuestras máquinas convencionales más potentes parezcan chatarra de la Edad de Piedra en comparación.

Pero, antes que eso suceda, físicos cuánticos como los del laboratorio de John Martinis, profesor de física de la Universidad de California en Santa Barbara (UCSB, EE.UU.) tendrán que crear circuitos que aprovechen la maravillosa destreza informática prometida por el bit cuántico ("qubit"), al tiempo que compensan su gran vulnerabilidad a errores inducidos por el ambiente.

En lo que ellos consideran un hito importante, los investigadores del Laboratorio de Martinis han desarrollado circuitos cuánticos que autochequean posibles errores y los suprimen, preservando el (los) estado(s) de los qubits e imbuyendo el sistema de la codiciada fiabilidad que será fundamental para la construcción de ordenadores cuánticos superconductores a gran escala.

Resulta que mantener a los qubits libres de errores, o lo suficientemente estables como para reproducir el mismo resultado una y otra vez, es uno de los principales obstáculos científicos en el frente de la computación cuántica.

"Los qubits son inherentemente defectuosos", explica Julian Kelly, estudiante de posgrado, investigador y co-autor principal de un trabajo de investigación que se publica en la revista Nature, en la información de la UCSB. "Así que si se almacena cierta información en ellos, la olvidarán."

Los qubits

A diferencia de la computación clásica, en la que los bits informáticos existen en una de las dos posiciones binarias ("sí / no", o "verdadero / falso"), pueden existir qubits en todas las posiciones al mismo tiempo, en varias dimensiones.

Es esta propiedad, llamada "superposición", la que da a los ordenadores cuánticos su estupenda capacidad computacional, pero también es esta característica la que hace a los qubits propensos al "flipping" (darse la vuelta), especialmente en entornos inestables, y por lo tanto es difícil trabajar con ellos. "Es difícil procesar la información si desaparece", recalca Kelly.

Sin embargo, este obstáculo podría haber sido eliminado por Kelly y otros miembros del grupo de Martinis. El proceso implica la creación de un diseño en el que varios qubits trabajan juntos para preservar la información, explica Kelly. Para ello, la información se almacena a lo largo de varios qubits.

"Y la idea es que construyamos un sistema de nueve qubits, que luego pueden buscar errores", añade. Los qubits en red son responsables de salvaguardar la información contenida en sus vecinos, explica, en el marco de un sistema de detección y corrección de errores que pued proteger la información adecuada y almacenarla durante más tiempo que varios qubits individuales.

"Esta es la primera vez que se construye un dispositivo cuántico capaz de corregir sus propios errores", asegura Fowler. Para el tipo de cálculos complejos que los investigadores prevén que haga un ordenador cuántico real, serían necesarios unos cien millones de qubits, pero antes de eso es necesario un sistema robusto de autochequeo y prevención de errores.

Medición de cambios

La clave de este sistema de detección y corrección de errores cuánticos es un esquema desarrollado por Fowler, llamado código de superficie. Utiliza la información de paridad -la medición de cambios en los datos originales (si los hay)-, a diferencia de la duplicación de la información original, que es parte del proceso de detección de errores en la computación clásica. De esta manera, la información original que se conserva en los qubits sigue sin ser observada.

¿Por qué? Por la física cuántica. "No se puede medir un estado cuántico, y esperar que siga siendo cuántico", explica Barends. El acto mismo de medición fija el qubit en un solo estado, con lo cual pierde su capacidad de superposición, añade.

Por lo tanto, formando algo parecido a un sudoku, los valores de paridad de qubits de datos en una matriz qubit se calculan por medio de qubits de medición adyacentes, que básicamente evalúan la información de los qubits de datos midiendo alrededor de ellos.

"Así que se extrae sólo información suficiente para detectar los errores, pero no la suficiente para echar un vistazo bajo el capó y destruir el carácter cuántico de cada qubit", explica Kelly.

Este avance reúne lo mejor de ciencia de la computación cuántica: lo último en estabilización de qubits y los avances en los algoritmos en los que se basa la lógica de la computación cuántica.

El Grupo de Martinis continúa perfeccionando su investigación para desarrollar esta importante nueva herramienta. Esta corrección de errores cuánticos concreta ha demostrado que protege contra cierto tipo de errores, pero aún no ha demostrado que los corrija todos, ni se ha observado su funcionamiento en ciclos de corrección de errores más largos para ver qué conductas podrían emerger.

Martinis y los principales miembros de su grupo de investigación han entrado en una alianza con Google, posteriormente a que se realizara esta investigación.

Referencia bibliográfica:

J. Kelly, R. Barends, A. G. Fowler, A. Megrant, E. Jeffrey, T. C. White, D. Sank, J. Y. Mutus, B. Campbell, Yu Chen, Z. Chen, B. Chiaro, A. Dunsworth, I.-C. Hoi, C. Neill, P. J. J. O’Malley, C. Quintana, P. Roushan, A. Vainsencher, J. Wenner, A. N. Cleland, John M. Martinis: State preservation by repetitive error detection in a superconducting quantum circuit. Nature (2015). DOI: 10.1038/nature14270.