Físicos españoles logran corregir errores en un bit cuántico

Este registro cuántico de 7-qubit podría ser utilizado como el principal bloque de construcción de un ordenador cuántico que corrija cualquier tipo de error. Los resultados han sido publicados en la revista Science.

Incluso los ordenadores son propensos a cometer errores. Los trastornos más leves pueden alterar la información guardada y falsear los resultados de los cálculos. Para superar estos problemas, los equipos utilizan rutinas específicas para detectar y corregir errores de forma continua.

Esto también es válido para un futuro ordenador cuántico, que requerirá procedimientos para la corrección de errores: "Los fenómenos cuánticos son extremadamente frágiles y propensos a errores, que pueden propagarse rápidamente y perturbar severamente el funcionamiento de la computadora", dice Thomas Monz, del Instituto de Física Experimental de la Universidad de Innsbruck.

Junto con Markus Müller y Miguel Ángel Martín-Delgado, del Departamento de Física Teórica de la Universidad Complutense de Madrid, los físicos en Innsbruck desarrollaron un nuevo método de corrección de errores cuánticos y lo probaron experimentalmente.

"Un bit cuántico es extremadamente complejo y no se puede simplemente copiar. Además, los errores en el mundo cuántico microscópico son más múltiples y difíciles de corregir que en los ordenadores convencionales", subraya Monz. "Para detectar y corregir los errores generales en una computadora cuántica, tenemos los llamados códigos de corrección de errores cuánticos altamente sofisticados", explica.

El código topológico utilizado para este experimento actual fue propuesto por el grupo de investigación de Martín-Delgado, en Madrid. Organiza los qubits en una red bidimensional, donde pueden interactuar con las partículas vecinas.

UN BIT CUÁNTICO CODIFICADO EN SIETE IONES

Para el experimento de la Universidad de Innsbruck los físicos confinaron siete átomos de calcio en una trampa de iones, que permite que se enfríen estos átomos a una temperatura de casi cero absoluto y controlarlos con precisión por rayos láser. Los investigadores codificaron los frágiles estados cuánticos de un qubit lógico en estados entrelazados de estas partículas. El código de corrección de errores cuántica proporciona el programa para este proceso.

"La codificación del qubit lógico en los siete qubits físicos fue un desafío experimental real", dice Daniel Nigg, miembro del grupo de investigación. Los físicos lo han conseguido en tres etapas, donde en cada paso complejas secuencias de pulsos de láser se utilizaron para crear entrelazamiento entre cuatro qubits vecinos. "Por primera vez hemos sido capaces de codificar un bit cuántico mediante la distribución de su información a través de siete átomos de una manera controlada", dice Markus Müller, que en 2011 se trasladó desde Innsbruck a la Universidad Complutense de Madrid.

"Cuando enredamos átomos de esta forma específica, proporcionan suficiente información para corrección de errores posterior y los posibles cálculos", explica.
En otro paso, los físicos probaron la capacidad del código para detectar y corregir los diferentes tipos de errores. "Hemos demostrado que en este tipo de sistema cuántico somos capaces de detectar y corregir cualquier posible error para cada partícula de forma independiente", dice Daniel Nigg.

Una vez que el obstáculo del proceso de codificación compleja se supera, solo son necesarias operaciones de puertas de un solo qubit para cada operación de la puerta. "Con este código cuántico podemos implementar operaciones básicas cuánticas y a la vez corregir todos los errores posibles", explica Thomas Monz, para quien este es im hito fundamental en la ruta hacia una computadora cuántica fiable.

"Este sistema de 7-iones aplicado para la codificación de un bit cuántico lógico puede ser utilizado como un bloque de construcción para sistemas cuánticos mucho más grandes", dice el físico teórico Müller. "Cuanto más grande sea la red, más sólida se vuelve. El resultado podría ser un ordenador cuántico que podría realizar cualquier número de operaciones sin ser impedido por los errores."

El experimento actual no sólo abre nuevas rutas para las innovaciones tecnológicas: "Aquí, surgen completamente nuevas preguntas, por ejemplo, qué métodos se pueden utilizar en primer lugar para caracterizar estos bits cuánticos lógicos," dice Rainer Blatt con una vista en el futuro . "Por otra parte, también nos gustaría colaborar en la elaboración de códigos cuánticos para optimizarlos para operaciones más extensas", añade Martín-Delgado.