La nueva tecnología sin errores que pone a EEUU a la cabeza de la computación cuántica

Los ordenadores cuánticos prometen una revolución en el desarrollo de tecnología y la investigación científica hasta ahora impensable. Sin embargo, para cumplir esa promesa, tenemos que ser capaces de desarrollarlos para que funcionen de manera eficiente y sin fallos, algo que se ha convertido en uno de los retos clave de esta tecnología. Ha habido varios avances significativos en este frente en los últimos meses, el último es una tecnología liderada por investigadores de la Universidad de Harvard que los acerca un paso más a ser una realidad: la creación del primer circuito cuántico de cúbits lógicos del mundo.

El problema de los errores

La excepcional velocidad de cálculo de los ordenadores cuánticos nos pueden traer un salto tecnológico sin precedentes que cambie radicalmente nuestro enfoque de la resolución de problemas en diversos campos. Los expertos creen que el efecto dominó de la computación cuántica se extenderá probablemente a todos los aspectos de la sociedad, modificando potencialmente la industria, la economía y la vida cotidiana, marcando una nueva era en el progreso tecnológico de la humanidad.

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Sin embargo, para llegar a ese punto, hay que resolver un gran escollo: la corrección de errores. Estas máquinas se organizan en una compleja estructura multicapa que reduce la temperatura para enfriar los cúbits cuánticos (la unidad básica de información cuántica) por debajo de la que hay en el espacio exterior. La velocidad de computación resultante va mucho más allá que cualquier supercomputador pero, debido a la naturaleza de la mecánica cuántica —en la que el estado de las partículas se fija en el momento de la observación— tienen demasiados errores para poder usarse en aplicaciones generalistas.

IBM, una de las compañías que más ha avanzado en el desarrollo de este tipo de computadoras, lleva tiempo trabajando en encontrar soluciones al problema de los errores. El verano pasado presentó su Quantum System Two, una solución modular que permite a sus científicos seguir adaptando su sistema a medida que evoluciona este campo de la informática.

Ahora, investigadores de la Universidad de Harvard, con la colaboración de equipos del MIT, QuEra Computing, Caltech y Princeton y la financiación de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de EEUU (DARPA), han presentado el primer circuito cuántico que usa cúbits lógicos. Este trabajo está detallado en un reciente artículo publicado en la revista Nature.

Cómo funciona

El equipo se centró en explorar el potencial de los cúbits Rydberg, un tipo de bit cuántico que utiliza átomos en estado de Rydberg como unidad básica de información. Un estado Rydberg es un estado excitado de un átomo en el que el electrón está muy alejado del núcleo, lo que lo hace más sensible a los campos electromagnéticos externos. La ventaja de usar este tipo de cúbits es que presentan un control y un entrelazamiento de alta fidelidad, que son claves para la corrección de errores cuánticos y la comunicación.

Los investigadores usaron cúbits Rydberg físicos para desarrollar técnicas para crear cúbits lógicos. A diferencia de los cúbits físicos, propensos a errores, los cúbits lógicos se corrigen para mantener su estado cuántico, lo que los hace muy útiles para resolver problemas complejos.

"Los cúbits Rydberg tienen la ventaja de ser homogéneos en sus propiedades, lo que significa que cada qubit es indistinguible del siguiente en su comportamiento", explica Mukund Vengalattore, director del programa ONISQ en la Oficina de Ciencias de la Defensa de DARPA. "No ocurre lo mismo con otras plataformas, como los cúbits superconductores, donde cada qubit es único y, por tanto, no intercambiable. La homogeneidad de los cúbits Rydberg permite escalarlos rápidamente y también manipularlos y desplazarlos con facilidad utilizando láseres en un circuito cuántico. Así se superan los métodos actuales, propensos a errores, de realizar operaciones con cúbits al tener que conectarlos secuencialmente, lo que propaga los errores por todo el chip. Ahora es posible imaginar la reconfiguración dinámica de cúbits en un chip cuántico, donde ya no se está limitado a un proceso secuencial de ejecución de circuitos cuánticos”.

Vengalattore asegura que pueden llevar colecciones enteras de cúbits de un lugar a otro del circuito mediante pinzas láser, ejecutar una operación y volver a colocarlos donde estaban originalmente. “Los cúbits lógicos Rydberg dinámicamente reconfigurables y transportables abren conceptos y paradigmas completamente nuevos para diseñar y construir procesadores de computación cuántica escalables", asegura el investigador.

La supercomputación cuántica, más cerca

Este avance, asegura el equipo, desafía la creencia común de que son necesarios millones de cúbits físicos para conseguir una computación cuántica sin errores. De hecho, gracias a los circuitos cuánticos reconfigurables dinámicamente, el número de cúbits lógicos necesarios para resolver problemas específicos podría ser mucho menor de lo que se pensaba hasta ahora.

El descubrimiento, dicen los investigadores "traza el camino hacia los procesadores lógicos a gran escala", aunque el Dr. Vengalattore, es prudente y asegura que es un paso más para hacer realidad la computación cuántica.

"Por muy emocionantes y transformadores que sean estos resultados, vemos esto como un peldaño hacia una visión a más largo plazo de la actualización de vías disruptivas hacia la computación cuántica con corrección de errores y otras áreas de la tecnología cuántica", dice el investigador.