Un chip que contiene una trampa de iones que los investigadores utilizan para capturar y controlar qubits de iones atómicos (bits cuánticos). Crédito: Kai Hudek/JQI
Los experimentos con computadoras cuánticas en la UMD muestran que combinar piezas de computadoras cuánticas no tiene por qué significar combinar sus tasas de error.
Pobody's nerfect, ni siquiera los bits indiferentes y calculadores que son la base de las computadoras. Pero el grupo del JQI Fellow Christopher Monroe, junto con colegas de la Universidad de Duke, han logrado avances 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 computación cuántica las piezas pueden ser mejores que las peores partes utilizadas para hacerlo. En un artículo publicado en la revista Naturaleza hoy (4 de octubre de 2021), el equipo compartió cómo dieron este paso histórico hacia computadoras cuánticas prácticas y confiables.
En su experimento, los investigadores combinaron varios qubits, la versión cuántica de bits, para 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 puedan detectar y corregir fácilmente, y lo hicieron tolerante a fallas, capaz de contener errores para minimizar sus efectos negativos.
"Los qubits compuestos de iones atómicos idénticos son naturalmente 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 pueden activarse de manera flexible a través de controles de software”.
La caja que contiene la computadora cuántica de trampa de iones en el laboratorio de Christopher Monroe. Crédito:
Marko Cetina/JQI
Esta es la primera vez que se demuestra 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 que funcionen individualmente solo alrededor del 98.9 % del tiempo.
Puede que no suene como una gran diferencia, pero es un paso crucial en la búsqueda para construir computadoras cuánticas mucho más grandes. Si las seis operaciones cuánticas fueran trabajadores de la línea de montaje, cada uno centrado en una tarea, la línea de montaje solo produciría el estado inicial correcto el 93.6 % de las veces (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 se agraven y arruinen el resultado, de manera similar a los trabajadores vigilantes que detectan los errores de los demás.
Los resultados se lograron utilizando el sistema de trampa de iones de Monroe en la UMD, que utiliza hasta 32 átomos individuales cargados (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 la 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 los diseños creativos y cuidadosos tienen el potencial de liberar a la computación cuántica de la restricción de los errores inevitables del estado actual del arte. 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 sean confiables y lo suficientemente grandes para usos prácticos.
Corrección de errores y tolerancia de fallas
El desarrollo de qubits tolerantes a fallas capaces de corregir errores es importante porque la ley de Murphy es implacable: no importa qué tan bien construyas 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 produzcan errores.
Afortunadamente, los ingenieros pueden diseñar una computadora para que sus piezas funcionen juntas para detectar errores, como mantener una copia de seguridad de la información importante 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 pulsiones tienen que equivocarse por un error para sobrevivir. Si bien se necesita más trabajo para terminar la tarea, la redundancia ayuda a garantizar la calidad final.
Algunas tecnologías predominantes, como los teléfonos móviles y los módems de alta velocidad, utilizan actualmente la corrección de errores para ayudar a garantizar la calidad de las transmisiones y evitar otros inconvenientes. La corrección de errores mediante redundancia simple puede disminuir la posibilidad de un error no detectado, siempre y cuando su procedimiento no se equivoque con más frecuencia de lo que es correcto; por ejemplo, enviar o almacenar datos por triplicado y confiar en el voto de la mayoría puede reducir la posibilidad de un error de uno en cien a menos de uno en mil.
Por lo tanto, si bien es posible que 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 usar recursos adicionales. Los investigadores planean utilizar la corrección de errores cuánticos para complementar de manera similar sus esfuerzos por crear mejores qubits y permitirles construir computadoras cuánticas sin tener que superar todos los errores que sufren los dispositivos cuánticos.
“Lo sorprendente de la tolerancia a fallas es que es una receta sobre cómo tomar pequeñas piezas poco confiables y convertirlas en un dispositivo muy confiable”, dice Kenneth Brown, profesor de ingeniería eléctrica e informática en Duke y coautor del artículo. “Y la corrección de errores cuánticos tolerantes a fallas nos permitirá hacer 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 puede simplemente copiar un qubit, o simplemente verificar su valor en medio de un cálculo. La única razón por la que los qubits son ventajosos es que pueden existir en una superposición cuántica de múltiples estados y pueden entrelazarse 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 enredo sobre el que se basa el cálculo cuántico.
Entonces, para la corrección de errores cuánticos, debe corregir los errores en bits que no puede 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 apenas están llegando al punto en 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 concuerdan en ciertos hechos mecánicos cuánticos sin conocer el estado de ninguno de ellos individualmente.
No se puede mejorar en el átomo
Hay muchos códigos de corrección de errores cuánticos propuestos para elegir, y algunos se adaptan más naturalmente a 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. Entonces, construir 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 almacenas coherencia en los qubits y los dejas solos, 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 aferrarnos al 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 entrelazadas: la creación de enlaces cuánticos entre dos qubits con pulsos láser. Las operaciones de entrelazamiento son partes necesarias para operar una computadora cuántica y combinar qubits en qubits lógicos. Entonces, si bien el equipo no puede esperar que sus qubits lógicos almacenen información de manera más estable que los qubits de iones individuales, corregir los errores que ocurren cuando se entrelazan los qubits es una mejora vital.
Los investigadores seleccionaron el código Bacon-Shor como una buena combinación de las ventajas y debilidades de su sistema. Para este proyecto, solo necesitaban 15 de los 32 iones que su sistema puede admitir, y dos de los iones no se usaron como qubits, sino que solo se necesitaron para lograr 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 errores potenciales. Con esa información, los qubits defectuosos detectados pueden, en teoría, corregirse sin que la "cuantificación" de los qubits se vea comprometida al medir el estado de cualquier qubit individual.
"La parte clave de la corrección de errores cuánticos es la redundancia, por lo que 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 estar 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 entrelazadas, 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 se usaron las operaciones de entrelazamiento 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 % de las veces, menos que el error más bajo esperado para cualquiera de las operaciones de enredo individuales. Luego, el equipo pudo mover el qubit lógico a un segundo estado con un error de solo el 0.3 %. El equipo también introdujo errores intencionalmente y demostró que podía detectarlos.
"Esta es realmente una demostración de la corrección de errores cuánticos que mejora el rendimiento de los componentes subyacentes por primera vez", dice Egan. “Y no hay razón para que otras plataformas no puedan hacer lo mismo a medida que se amplían. Realmente es una prueba de concepto de que la corrección de errores cuánticos funciona”.
A medida que el equipo continúa con 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, realizando ciclos completos de corrección de errores donde los errores detectados se corrigen activamente y entrelazando múltiples qubits lógicos juntos. .
“Hasta este documento, todo el mundo se ha centrado en hacer un qubit lógico”, dice Egan. "Y ahora que hemos hecho uno, estamos como, 'Los qubits lógicos individuales funcionan, entonces, ¿qué puedes hacer con dos?'".
Referencia: "Control tolerante a fallas de un qubit con corrección de errores" por Laird Egan, Dripto M. Debroy, Crystal Noel, Andrew Risinger, Daiwei Zhu, Debopriyo Biswas, Michael Newman, Muyuan Li, Kenneth R. Brown, Marko Cetina y Christopher Monroe, 4 de octubre de 2021, Naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03928-y
