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| Una vista del interior del dispositivo que atrapó iones. Crédito: Matthias Brandl/Universidad de Innsbruck a través del Instituto de Física Experimental |
Gracias a la alta calidad de fabricación, los errores durante el procesamiento y el almacenamiento de la información se han convertido en una rareza en los ordenadores modernos. Sin embargo, para las aplicaciones críticas, en las que incluso un solo error puede tener efectos graves, se siguen utilizando mecanismos de corrección de errores basados en la redundancia de los datos procesados.
Los ordenadores cuánticos son intrínsecamente mucho más susceptibles a las perturbaciones y, por lo tanto, es casi seguro que siempre se necesitarán mecanismos de corrección de errores. De lo contrario, los errores se propagarían sin control en el sistema y se perdería la información. Dado que las leyes fundamentales de la mecánica cuántica prohíben copiar la información cuántica, la redundancia puede lograrse distribuyendo la información cuántica lógica en un estado entrelazado de varios sistemas físicos, por ejemplo, múltiples átomos individuales.
El equipo de investigación, dirigido por Thomas Monz, del Departamento de Física Experimental de la Universidad de Innsbruck, y Markus Müller, de la Universidad RWTH de Aquisgrán y el Forschungszentrum Jülich (Alemania), ha logrado por primera vez realizar un conjunto de operaciones de cálculo en dos bits cuánticos lógicos que pueden utilizarse para implementar cualquier operación posible. "Para un ordenador cuántico del mundo real, necesitamos un conjunto universal de puertas con el que podamos programar todos los algoritmos", explica Lukas Postler, físico experimental de Innsbruck.
El equipo de investigadores implementó este conjunto de puertas universales en un ordenador cuántico con trampa de iones que cuenta con 16 átomos atrapados. La información cuántica se almacenó en dos bits cuánticos lógicos, cada uno de ellos distribuido en siete átomos.
Ahora, por primera vez, ha sido posible implementar dos puertas computacionales en estos bits cuánticos tolerantes a fallos, que son necesarias para un conjunto universal de puertas: una operación computacional en dos bits cuánticos (una puerta CNOT) y una puerta lógica T, que es particularmente difícil de implementar en bits cuánticos tolerantes a fallos.
"Las puertas T son operaciones muy fundamentales", explica el físico teórico Markus Müller. "Son especialmente interesantes porque los algoritmos cuánticos sin puertas T pueden simularse con relativa facilidad en ordenadores clásicos, anulando cualquier posible aumento de velocidad. 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 mediante una operación de puerta enredada.
En los bits cuánticos lógicos codificados, la información cuántica almacenada está protegida de los errores. Pero esto no sirve de nada si no se realizan operaciones de cálculo, y estas operaciones son a su vez propensas a los errores.
Los investigadores han implementado las operaciones en los qubits lógicos de tal manera que los errores causados por las operaciones físicas subyacentes también pueden ser detectados y corregidos. Así, han puesto en marcha la primera implementación tolerante a fallos de un conjunto universal de puertas sobre bits cuánticos lógicos codificados.
"La implementación tolerante a fallos requiere más operaciones que las no tolerantes a fallos. Esto introducirá más errores a escala de átomos individuales, pero, no obstante, las operaciones experimentales en los qubits lógicos son mejores que las operaciones lógicas no tolerantes a fallos", se complace en informar Thomas Monz. "El esfuerzo y la complejidad aumentan, pero la calidad resultante es mejor". Los investigadores también comprobaron y confirmaron sus resultados experimentales mediante simulaciones numéricas en ordenadores clásicos.
Los físicos han demostrado ahora todos los componentes de la computación tolerante a fallos en un ordenador cuántico. La tarea consiste ahora en aplicar estos métodos en ordenadores cuánticos más grandes y, por tanto, más útiles. Los métodos demostrados en Innsbruck en un ordenador cuántico con trampa de iones también pueden utilizarse en otras arquitecturas de ordenadores cuánticos.
Fuentes, créditos y referencias:
“Demonstration of fault-tolerant universal quantum gate operations” by Lukas Postler, Sascha Heuβen, Ivan Pogorelov, Manuel Rispler, Thomas Feldker, Michael Meth, Christian D. Marciniak, Roman Stricker, Martin Ringbauer, Rainer Blatt, Philipp Schindler, Markus Müller and Thomas Monz, 25 May 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04721-1
DOI: 10.1038/s41586-022-04721-1
Imagen: Demostración de los bloques fundamentales para la computación cuántica tolerante a fallos. Crédito Uni InnsbruckHarald Ritsch