Esta extrema fragilidad podría hacer que la computación cuántica parezca desesperada. Pero en 1995, el matemático aplicado Peter Shor descubrió una forma inteligente de almacenar información cuántica. Su codificación tenía dos propiedades clave. En primer lugar, podía tolerar errores que sólo afectaban a qubits individuales. En segundo lugar, venía con un procedimiento para corregir los errores a medida que se producían, evitando que se acumularan y descarrilaran un cálculo. El descubrimiento de Shor fue el primer ejemplo de un código cuántico de corrección de errores, y sus dos propiedades clave son las características definitorias de todos esos códigos.
La primera propiedad surge de un principio simple: la información secreta es menos vulnerable cuando se divide. Las redes de espionaje emplean una estrategia similar. Cada espía sabe muy poco sobre la red en su conjunto, por lo que la organización permanece segura incluso si algún individuo es capturado. Pero los códigos cuánticos de corrección de errores llevan esta lógica al extremo. En una red de espías cuánticos, ningún espía sabría nada en absoluto, pero juntos sabrían mucho.
Cada código de corrección de errores cuánticos es una receta específica para distribuir información cuántica entre muchos qubits en un estado de superposición colectiva. Este procedimiento transforma efectivamente un grupo de qubits físicos en un único qubit virtual. Repita el proceso muchas veces con una gran variedad de qubits y obtendrá muchos qubits virtuales que podrá utilizar para realizar cálculos.
Los qubits físicos que componen cada qubit virtual son como esos inconscientes espías cuánticos. Mida cualquiera de ellos y no aprenderá nada sobre el estado del qubit virtual del que forma parte: una propiedad llamada indistinguibilidad local. Dado que cada qubit físico no codifica información, los errores en qubits individuales no arruinarán un cálculo. La información que importa está de alguna manera en todas partes, pero en ninguna en particular.
«No se puede precisar a ningún qubit individual», dijo Cubitt.
Todos los códigos cuánticos de corrección de errores pueden absorber al menos un error sin ningún efecto sobre la información codificada, pero eventualmente todos sucumbirán a medida que los errores se acumulen. Ahí es donde entra en juego la segunda propiedad de los códigos de corrección de errores cuánticos: la corrección de errores real. Esto está estrechamente relacionado con la indistinguibilidad local: debido a que los errores en qubits individuales no destruyen ninguna información, siempre es posible revertir cualquier error utilizando procedimientos establecidos específicos para cada código.
Tomando el pelo
Zhi Li, postdoctorado en el Instituto Perimeter de Física Teórica de Waterloo, Canadá, conocía bien la teoría de la corrección de errores cuánticos. Pero el tema estaba lejos de su mente cuando entabló conversación con su colega Latham Boyle. Era el otoño de 2022 y los dos físicos se encontraban en un transbordador nocturno desde Waterloo a Toronto. Boyle, un experto en mosaicos aperiódicos que vivía en Toronto en ese momento y ahora está en la Universidad de Edimburgo, era una cara familiar en aquellos viajes en transbordador, que a menudo quedaban atrapados en el tráfico intenso.
«Normalmente podrían sentirse muy miserables», dijo Boyle. «Este fue el más grande de todos los tiempos».
Antes de esa fatídica noche, Li y Boyle conocían el trabajo del otro, pero sus áreas de investigación no se superponían directamente y nunca habían tenido una conversación cara a cara. Pero al igual que innumerables investigadores en campos no relacionados, Li sentía curiosidad por los mosaicos aperiódicos. «Es muy difícil no estar interesado», dijo.