Cuántica del Norte
Existe un consenso general de que realizar cualquier tipo de algoritmo complejo en hardware cuántico tendrá que esperar a la llegada de qubits con corrección de errores. Los qubits individuales son demasiado propensos a errores como para confiar en ellos para cálculos complejos, por lo que la información cuántica deberá distribuirse entre múltiples qubits, lo que permitirá monitorear errores e intervenir cuando ocurran.
Pero la mayoría de las formas de crear estos «qubits lógicos» necesarios para la corrección de errores requieren desde docenas hasta más de cien qubits de hardware individuales. Esto significa que necesitaremos entre decenas de miles y millones de qubits de hardware para realizar cálculos. El hardware existente sólo ha superado la marca de los 1.000 qubits en el último mes, por lo que el futuro parece estar a varios años de distancia, en el mejor de los casos.
Pero el jueves, una empresa llamada Nord Quantique anunció que había demostrado la corrección de errores utilizando un único qubit con un diseño de hardware distinto. Si bien esto tiene el potencial de reducir en gran medida la cantidad de qubits de hardware necesarios para una corrección de errores útil, la demostración involucró un solo qubit; la compañía ni siquiera espera demostrar operaciones en pares de qubits hasta finales de este año.
Conoce el qubit bosónico
La tecnología subyacente a este trabajo se denomina qubit bosónico y no es nada nuevo; una empresa de instrumentos ópticos incluso tiene una lista de productos que señala su potencial de uso en la corrección de errores. Pero si bien los conceptos detrás de su uso de esta manera estaban bien establecidos, las demostraciones estaban rezagadas. Nord Quantique ha publicado un artículo en arXiv que detalla una demostración de cómo realmente reducen las tasas de error.
Los dispositivos están estructurados de forma muy parecida a un transmon, la forma de qubit preferida por los pesos pesados de la tecnología como IBM y Google. Allí, la información cuántica se almacena en un bucle de cable superconductor y está controlada por lo que se llama un resonador de microondas, un pequeño trozo de material donde los fotones de microondas se reflejarán de un lado a otro durante un tiempo antes de perderse.
Un qubit bosónico cambia esa situación. En este hardware, la información cuántica se mantiene en fotones, mientras que el cable superconductor y el resonador controlan el sistema. Ambos están conectados a una cavidad coaxial (piense en una estructura que, aunque microscópica, se parece un poco al extremo de un conector de cable).
De manera enormemente simplificada, la información cuántica se almacena en la forma en que interactúan los fotones en la cavidad. El estado de los fotones se puede controlar mediante el cable resonador/superconductor conectado. Si algo parece estar mal, el resonador/cable superconductor permite realizar intervenciones para restaurar el estado original. No se necesitan qubits adicionales. «Una idea muy simple y básica detrás de la corrección de errores cuánticos es la redundancia», dijo a Ars el cofundador y director de tecnología Julien Camirand Lemyre. «Una característica de los resonadores y osciladores en circuitos superconductores es que se pueden colocar muchos fotones dentro de los resonadores. Y para nosotros, la redundancia viene de ahí».
Este proceso no corrige todos los errores posibles, por lo que no elimina la necesidad de qubits lógicos creados a partir de múltiples qubits de hardware subyacentes. Sin embargo, en teoría, se pueden detectar las dos formas más comunes de errores a las que son propensos los qubits (cambios de bits y cambios de fase).
En la preimpresión de arXiv, el equipo de Nord Quantique demostró que el sistema funciona. Usando un solo qubit y simplemente midiendo si mantiene su estado original, el sistema de corrección de errores puede reducir los problemas en un 14 por ciento. Desafortunadamente, la fidelidad general también es baja, comenzando en alrededor del 85 por ciento, lo que está significativamente por debajo de lo que se ve en otros sistemas que han pasado por años de trabajo de desarrollo. Se ha demostrado que algunos qubits tienen una fidelidad superior al 99 por ciento.
Volviéndose competitivo
Así que no hay duda de que Nord Quantique está muy por detrás de varios líderes en computación cuántica que pueden realizar cálculos (propensos a errores) con docenas de qubits y tienen tasas de error mucho más bajas. Una vez más, el trabajo de Nord Quantique se realizó utilizando un solo qubit y sin realizar ninguna de las operaciones necesarias para realizar un cálculo.
Lemyre dijo a Ars que, si bien la empresa es pequeña, se beneficia de ser una filial del Institut Quantique de la Universidad Sherbrooke de Canadá, uno de los principales centros de investigación cuántica de Canadá. Además de tener acceso a la experiencia allí, Nord Quantique utiliza una instalación de fabricación en Sherbrooke para fabricar su hardware.
Durante el próximo año, la compañía espera demostrar que el esquema de corrección de errores puede funcionar mientras se utilizan pares de qubits para realizar operaciones de puerta, las unidades fundamentales de cálculo. Otra alta prioridad es combinar esta corrección de errores basada en hardware con esquemas de qubit lógicos más tradicionales, lo que permitiría detectar y corregir tipos adicionales de errores. Esto implicaría operaciones con una docena o más de estos qubits bosónicos a la vez.
Pero el verdadero desafío será a largo plazo. La empresa cuenta con la capacidad de su hardware para manejar la corrección de errores para reducir la cantidad de qubits necesarios para cálculos útiles. Pero si sus competidores pueden aumentar la cantidad de qubits lo suficientemente rápido mientras mantienen el control y las tasas de error necesarias, en última instancia eso puede no importar. Dicho de otra manera, si Nord Quantique todavía está en el rango de cientos de qubits cuando otras empresas están en los cientos de miles, su tecnología podría no tener éxito incluso si tiene algunas ventajas inherentes.
Pero esa es la parte divertida del campo tal como están las cosas: realmente no lo sabemos. Un puñado de tecnologías muy diferentes ya están en desarrollo y son prometedoras. Y hay otros conjuntos que aún se encuentran en una etapa temprana del proceso de desarrollo, pero que se cree que tienen un camino más sencillo para escalar a números útiles de qubits. Todos ellos tendrán que escalar a un mínimo de decenas de miles de qubits y al mismo tiempo permitir la capacidad de realizar manipulaciones cuánticas que eran ciencia de vanguardia hace apenas unas décadas.
En el fondo se vislumbra el simple hecho de que nunca hemos intentado escalar algo como esto en la medida que será necesario. Obstáculos técnicos imprevistos podrían limitar el progreso en algún momento en el futuro.
A pesar de todo esto, hay personas que respaldan cada una de estas tecnologías y que saben mucho más sobre mecánica cuántica que yo. Es un momento divertido.