Una prueba de hardware para un problema difícil de la computación cuántica
Investigadores de Google Quantum AI han demostrado una técnica llamada cultivo de estados mágicos en el procesador superconductor Willow de la compañía, e informan de una reducción de 40 veces en el error de los estados cuánticos preparados. El resultado, publicado en Science, se presenta como la primera prueba exitosa del enfoque en hardware.
El trabajo aborda un obstáculo central de la computación cuántica: los cúbits son frágiles. A diferencia de los bits digitales convencionales, los bits cuánticos pueden verse alterados por su entorno y por imperfecciones en el control. Estos errores dificultan enormemente realizar cálculos fiables, especialmente las operaciones avanzadas necesarias para construir ordenadores cuánticos tolerantes a fallos y útiles.
El experimento se centra en los “estados mágicos”, estados cuánticos preparados especialmente para cálculos avanzados. Producir estados mágicos de alta calidad es un desafío importante, porque incluso un pequeño error puede perjudicar un cálculo mayor. El resultado de Google no elimina el desafío general de la computación cuántica tolerante a fallos, pero demuestra una vía para mejorar un componente valioso en hardware real.
De la destilación al cultivo
Una forma conocida de mejorar los estados mágicos es la destilación de estados mágicos. En términos generales, la destilación filtra los defectos de los recursos cuánticos. Puede funcionar, pero consume muchos recursos: generar un número menor de estados útiles puede requerir una cantidad considerable de hardware y procesamiento.
El cultivo de estados mágicos es una propuesta diferente. En lugar de depender del mismo tipo de filtrado intensivo en recursos, busca limpiar directamente un estado mágico ruidoso dentro de un cúbit protegido. La protección procede de codificar la información cuántica en varios cúbits físicos, en vez de colocarla toda en un único componente vulnerable.
En el experimento con Willow, el equipo comenzó deliberadamente con errores que debía corregir. Los investigadores codificaron un estado mágico ruidoso en una pequeña cuadrícula de cúbits físicos. Después utilizaron cúbits auxiliares para comprobar si la información codificada contenía errores sin destruir los delicados datos cuánticos.
Cuando las comprobaciones detectaban un defecto, ese intento se descartaba y el sistema comenzaba de nuevo. Cuando un intento superaba todas las comprobaciones, el estado mágico refinado se conservaba para su procesamiento posterior. Esta postselección es importante: el método no afirma que todos los intentos tengan éxito. Su objetivo es identificar los casos en los que el estado protegido deseado ha sobrevivido a las comprobaciones.
Qué significa la cifra de 40 veces
Según los investigadores, el cultivo redujo el error por un factor de 40. Los estados mágicos aceptados alcanzaron una fidelidad de al menos aproximadamente el 99,99%, una medida de cuánto se parece el estado preparado al estado previsto.
Ese número también muestra por qué la medición es un desafío en este campo. Si los errores restantes son muy pequeños, demostrar que lo son requiere una verificación minuciosa. El equipo desarrolló una técnica llamada tomografía de retroceso para detectar los errores restantes con menos mediciones de las que exigirían los enfoques convencionales.
El filtrado fue selectivo. Solo alrededor del 8% de los intentos iniciales superó todas las comprobaciones. Ese intercambio forma parte de la cuestión práctica que rodea al cultivo: una técnica puede mejorar mucho la calidad de los estados aceptados y, aun así, exigir intentos repetidos. Por tanto, la comparación pertinente no es solo la tasa de error de los estados supervivientes, sino el coste total de crear suficientes estados para un cálculo útil.
Por qué importan los estados mágicos
Los procesadores cuánticos pueden realizar algunas operaciones de forma más natural que otras. Para las formas más exigentes de computación cuántica, los investigadores necesitan recursos preparados cuidadosamente que permitan al sistema ejecutar las operaciones avanzadas necesarias. Los estados mágicos son uno de esos recursos.
Como resultado, el coste de producir estados mágicos fiables puede determinar la escala y el diseño de una futura máquina tolerante a fallos. Un método que cree mejores estados con menos recursos generales podría ser importante mucho más allá de una demostración en un solo laboratorio. A la inversa, un resultado sólido en un componente no establece por sí solo un ordenador cuántico tolerante a fallos completo. En última instancia, debe encajar junto con cúbits fiables, detección de errores, sistemas de control y los demás elementos de una arquitectura completa.
El resultado de Willow destaca porque toma un enfoque que antes no se había probado con éxito en hardware real y lo somete a las imperfecciones de un procesador superconductor. Por ello, el experimento traslada la idea de una opción teórica a un resultado de ingeniería que puede evaluarse frente a las limitaciones del hardware.
Un hito con cuestiones prácticas aún abiertas
El resultado comunicado debe interpretarse mejor como una demostración de una herramienta prometedora, no como una declaración de que la corrección de errores cuánticos está resuelta. El experimento muestra que los estados protegidos y ruidosos pueden filtrarse y refinarse, y que los estados aceptados resultantes pueden tener un error mucho menor.
Su importancia reside en la combinación de rendimiento del hardware y verificación. El equipo no se limitó a proponer que el cultivo debería funcionar; codificó un estado ruidoso, utilizó cúbits auxiliares para comprobarlo, descartó los intentos fallidos y midió la calidad de los estados supervivientes. El nuevo método de tomografía formó parte de hacer viables esas mediciones al nivel de error comunicado.
En la computación cuántica, el progreso suele llegar mediante avances de este tipo a nivel de componentes. Una mejor preparación de un recurso crítico puede cambiar el equilibrio de ingeniería de sistemas mayores, incluso cuando aún quedan muchos pasos difíciles. El resultado de 40 veces de Google Quantum AI ofrece pruebas de que el cultivo de estados mágicos merece considerarse junto con enfoques más establecidos mientras los investigadores trabajan hacia una computación cuántica fiable.
Este artículo se basa en un reportaje de Phys.org. Lea el artículo original.
Originally published on phys.org
