En un ordenador cuántico hay una carrera que comienza prácticamente en cuanto empieza el cálculo. Por un lado está la operación que queremos realizar. Por otro, un ejército de pequeñas perturbaciones (ruido eléctrico, calor, radiación o imperfecciones del propio dispositivo) intentando estropearla antes de que termine. Cuanto más tardamos, más oportunidades les damos.
Investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers, en Suecia, y la Universidad de Tianjin, en China, creen haber encontrado un atajo especialmente agresivo: determinadas operaciones destinadas a crear y controlar estados cuánticos protegidos, que con métodos anteriores podían requerir miles de ciclos de control, pueden sintetizarse dentro de un único ciclo. En algunos casos, la diferencia equivale a una aceleración superior a 1.000 veces. No significa que un ordenador cuántico vaya a ejecutar cualquier programa mil veces más rápido . La mejora afecta específicamente a ciertas operaciones sobre los llamados códigos cuánticos bosónicos , una de las estrategias que se investigan para conseguir máquinas capaces de soportar errores sin perder el cálculo por el camino.
En lugar de proteger un único cúbit, guardan la información dentro de un oscilador © Chalmers University of Technology / Malin Arnesson y Anna-Lena Lundquist. La corrección de errores es uno de los grandes problemas de la computación cuántica porque la información es extraordinariamente frágil. Medir o copiar estados cuánticos tampoco funciona igual que duplicar unos y ceros en un ordenador convencional. Los códigos bosónicos atacan el problema de otra manera .
En lugar de almacenar toda la información directamente en un cúbit físico individual, pueden codificar un cúbit lógico utilizando distintos estados de un oscilador, por ejemplo el campo de microondas atrapado dentro de un circuito superconductor. Así, la información queda distribuida siguiendo patrones que pueden ofrecer protección frente a determinados errores. El inconveniente es crear esos estados. Los protocolos de control de Floquet empleados hasta ahora pueden hacerlo aplicando señales periódicas una y otra vez mientras el sistema evoluciona lentamente hacia el estado buscado.
El propio artículo publicado en Physical Review Letters señala que estos procesos adiabáticos pueden necesitar miles de periodos de excitación. Funciona sobre el papel, pero existe una paradoja: cuanto más cuidadosamente esperamos a que aparezca el estado protegido, más tiempo permanece el sistema expuesto a aquello de lo que intentamos protegerlo. La nueva idea es saltarse casi todo el recorrido © Chalmers University of Technology / Malin Arnesson y Anna-Lena Lundquist. El equipo de Tangyou Huang, Lei Du y Lingzhen Guo utilizó unas operaciones llamadas quantum lattice gates, o puertas de retícula cuántica.
Huang lo compara con construir un castillo de Lego . El enfoque lento sería colocar miles de piezas una por una. Estas puertas funcionarían más como módulos completos que ya contienen una parte de la estructura y pueden ensamblarse directamente. Matemáticamente, el nuevo método calcula la transformación que necesita el sistema y utiliza la no linealidad de las uniones de Josephson (componentes fundamentales de muchos circuitos superconductores) como recurso para ejecutarla.
El resultado es que una amplia variedad de transformaciones puede comprimirse dentro de un solo periodo de control. El equipo simuló la preparación de varios tipos importantes de códigos bosónicos y también operaciones lógicas de un único cúbit, obteniendo fidelidades elevadas. El artículo sostiene además que el método puede generar transformaciones bastante generales, no simplemente unos pocos estados diseñados de antemano. Y hay una ventaja práctica importante: no exige inventar una arquitectura cuántica completamente diferente.
Está pensado para circuitos superconductores existentes, precisamente una de las tecnologías más utilizadas actualmente para fabricar procesadores cuánticos. Chalmers está desarrollando su propio ordenador de 100 cúbits basado en esta plataforma. Hay un detalle importante: ningún procesador real lo ha hecho todavía La cifra de “más de 1.000 veces” tiene una frontera muy clara. Este es un estudio teórico.
Los investigadores han demostrado el método mediante análisis matemático y simulaciones, pero todavía no lo han ejecutado físicamente dentro de un procesador cuántico y comprobado qué ocurre cuando aparecen pérdidas de fotones, errores de calibración, ruido real y limitaciones del hardware. Los propios investigadores ya están estudiando con otros equipos de Chalmers cómo realizar esa demostración experimental . Tampoco resuelve de golpe la computación cuántica tolerante a fallos. Harán falta operaciones entre varios cúbits lógicos, corrección continua de errores y sistemas capaces de escalar enormemente sin que la complejidad destruya las ventajas.
Pero el enfoque ataca un problema particularmente incómodo: para proteger información cuántica necesitamos realizar operaciones complejas y esas mismas operaciones tardan tanto que pueden darle tiempo al ruido para destruirla. La solución propuesta es casi brutal por su sencillez conceptual: si miles de ciclos son demasiados, intentar hacerlo todo en uno. Y en una tecnología donde cada instante adicional puede convertirse en un error, ahorrarse 999 de cada 1.000 pasos quizá sea mucho más importante que simplemente hacer el cálculo más rápido.