Existe un acuerdo generalizado en que la computación cuántica más útil tendrá que esperar al desarrollo de qubits con corrección de errores. La corrección de errores implica distribuir un poco de información cuántica (denominada qubit lógico) entre una pequeña colección de qubits de hardware. Los desacuerdos se centran principalmente en cuál es la mejor manera de implementarlo y cuánto tiempo llevará.

Un paso clave hacia ese futuro se describe en un artículo publicado hoy en Nature. Un gran equipo de investigadores, principalmente con sede en la Universidad de Harvard, ha demostrado la capacidad de realizar múltiples operaciones en hasta 48 qubits lógicos. El trabajo muestra que el sistema, que comparte herencia con el sistema de computación cuántica de la empresa QuEra, puede identificar correctamente la aparición de errores, lo que puede mejorar significativamente los resultados de los cálculos.

Yuval Boger, director de marketing de QuEra, dijo a Ars: «Creemos que es un hito muy importante en el camino hacia donde todos queremos estar, que son computadoras cuánticas a gran escala y tolerantes a fallas.

Detectar y corregir errores

Los algoritmos cuánticos complejos pueden requerir horas de mantenimiento y manipulación de información cuántica, y es probable que los qubits de hardware existentes nunca lleguen al punto en el que sean capaces de manejar eso sin causar errores. La solución generalmente aceptada para esto es trabajar con qubits lógicos de corrección de errores. Estos implican distribuir qubits individuales entre una colección de qubits de hardware para que un error en uno de estos qubits no destruya por completo la información.

Los qubits adicionales pueden agregar corrección de errores a estos qubits lógicos. Estos están vinculados a los qubits de hardware que contienen los qubits lógicos, lo que permite monitorear su estado de una manera que identificará cuándo se han producido errores. La manipulación de estos qubits adicionales puede restaurarlos al estado que se perdieron cuando ocurrió el error.

En teoría, esta corrección de errores puede permitir que el hardware mantenga estados cuánticos durante mucho más tiempo del que son capaces los qubits de hardware individuales.

La compensación es una complejidad y un número de qubits significativamente mayores. Esto último debería ser obvio: si cada qubit lógico requiere una docena de qubits, entonces se necesitan muchos más qubits de hardware para ejecutar cualquier algoritmo. La corrección total de errores también requeriría mediciones repetidas para identificar cuándo se han producido errores, identificar el tipo de error y realizar las correcciones necesarias. Y todo eso tendría que suceder mientras los qubits lógicos también se utilizan para ejecutar esos algoritmos.

También están los aspectos prácticos reales de hacer que todo esto funcione. Es realmente fácil (según una definición muy relajada de «fácil») entender cómo realizar operaciones en pares de qubits de hardware. Es mucho más difícil entender cómo hacerlos cuando cualquier qubit de hardware individual contiene, como máximo, sólo una fracción de un qubit lógico. A la complejidad se suma el hecho de que existe una variedad de posibles esquemas de corrección de errores, y todavía estamos averiguando sus ventajas y desventajas en términos de robustez, conveniencia y uso de qubits.

Eso no quiere decir que no haya habido avances. Se ha demostrado que los qubits con corrección de errores mantienen la información cuántica mejor que los qubits de hardware que los albergan. Y, en unos pocos casos, se han demostrado operaciones cuánticas individuales (denominadas puertas) utilizando pares de qubits lógicos. Dos empresas (Atom Computing e IBM) también han estado aumentando el número de qubits para proporcionar suficiente hardware para albergar muchos qubits lógicos.

Entra en QuEra

Al igual que Atom Computing, el hardware en el que se basó el equipo de Harvard utiliza átomos neutros (QuEra, que es una startup surgida del trabajo de ese laboratorio, utiliza tecnología superpuesta). Los qubits de átomos neutros tienen varias características atractivas. La información cuántica se almacena en el espín nuclear de los átomos individuales, que es relativamente estable en términos de mantenimiento de información cuántica. Y, dado que cada átomo de un isótopo determinado es equivalente, no hay variación de dispositivo a dispositivo como ocurre en los qubits basados ​​en hardware superconductor. Los átomos individuales se pueden abordar con láseres en lugar de necesitar cableado, y los átomos se pueden mover, lo que potencialmente permite que cualquier qubit se vincule con cualquier otro.

El hardware utilizado para este trabajo admite hasta 280 qubits basados ​​en átomos. Sus operaciones movieron esos átomos entre varias regiones funcionales. Uno es simplemente el almacenamiento, donde viven los qubits cuando no están siendo manipulados o medidos. Esto contiene tanto los qubits lógicos en uso como un conjunto de qubits no utilizados que pueden movilizarse durante la ejecución de un algoritmo. También hay una «zona de entrelazamiento» donde se llevan a cabo esas manipulaciones y una zona de lectura donde se puede medir el estado de los qubits individuales sin perturbar los qubits en otras partes del hardware.

Hoy, una startup llamada Atom Computing anunció que ha estado realizando pruebas internas de una computadora cuántica de 1.180 qubit y que la pondrá a disposición de los clientes el próximo año. El sistema representa un gran paso adelante para la empresa, que antes solo había construido un sistema basado en qubits de átomos neutros, un sistema que funcionaba con sólo 100 qubits.

La tasa de error para las operaciones de qubits individuales es lo suficientemente alta como para que no sea posible ejecutar un algoritmo que se base en el recuento completo de qubits sin que falle debido a un error. Pero respalda las afirmaciones de la compañía de que su tecnología puede escalar rápidamente y proporciona un banco de pruebas para trabajar en la corrección de errores cuánticos. Y, para algoritmos más pequeños, la compañía dice que simplemente ejecutará múltiples instancias en paralelo para aumentar las posibilidades de devolver la respuesta correcta.

Computando con átomos

Atom Computing, como su nombre lo indica, ha elegido átomos neutros como su qubit preferido (hay otras empresas que están trabajando con iones). Estos sistemas se basan en un conjunto de láseres que crean una serie de ubicaciones energéticamente favorables para los átomos. Si se los deja solos, los átomos tenderán a caer en estos lugares y permanecer allí hasta que un átomo de gas perdido choque con ellos y los derribe.

Debido a que las ubicaciones de los átomos están determinadas por la configuración de los láseres, es posible abordar cada uno de ellos individualmente. La información cuántica se almacena en el espín nuclear, que es relativamente impermeable al medio ambiente. Mientras que otros tipos de qubits tienen vidas de coherencia de sólo una fracción de segundo, los átomos neutros a menudo mantienen su estado durante decenas de segundos. Debido a que el espín nuclear no interactúa fácilmente con el medio ambiente, es posible agrupar los átomos muy juntos, lo que permite un sistema relativamente denso.

Sin embargo, es posible manipular los átomos para que puedan interactuar y entrelazarse. Esto funciona a través de lo que se llama un bloqueo de Rydberg, que prohíbe las interacciones a menos que dos átomos estén separados por una distancia determinada y ambos estén en el estado de Rydberg, en el que sus electrones más externos están débilmente unidos y orbitan a una gran distancia del núcleo. Al colocar los pares correctos de átomos en el estado de Rydberg (lo que también se puede hacer con láseres), es posible entrelazarlos. Y, dado que los láseres permiten controlar la ubicación de átomos individuales, es posible entrelazar dos cualesquiera.

Debido a que este sistema permite que los átomos estén relativamente juntos, Atom Computing sostiene que el sistema está bien posicionado para escalar rápidamente. A diferencia de sistemas como los transmons, donde pequeñas diferencias en la fabricación de dispositivos conducen a qubits con pequeñas variaciones en el rendimiento, se garantiza que cada átomo atrapado se comportará de la misma manera. Y, dado que los átomos no intervienen a menos que se manipulen, es posible agrupar muchos de ellos en un espacio relativamente pequeño.

Estos dos factores, argumentan los ejecutivos de la compañía, significan que los átomos neutros están bien posicionados para escalar hasta una gran cantidad de qubits. Su sistema original, que entró en funcionamiento en 2021, era una cuadrícula de átomos de 10 × 10 (aunque también son posibles disposiciones tridimensionales). Y, cuando hablaron con Ars hace un año, mencionaron que esperaban escalar su sistema de próxima generación en un orden de magnitud, aunque no dijeron cuándo esperaban que estuviera listo.

Hoy, en el Foro de Tecnologías del Futuro en Rusia, se mostró al presidente Vladimir Putin el estado actual del país en materia de computación cuántica, y podría estar más desarrollado de lo que muchos pensarían inicialmente. Rosatom, la Corporación Estatal de Energía Nuclear de Rusia que es el principal organismo gubernamental responsable de coordinar los esfuerzos nacionales relacionados con la innovación tecnológica, mostró lo que dice es una computadora cuántica basada en iones atrapados de 16 qubits. Y de acuerdo con el propio comunicado de prensa de Rosatom sobre el tema, ya han realizado cálculos útiles de simulación de moléculas. Se dice que el procesador ruso utiliza la misma tecnología de recocido cuántico que ha demostrado ser increíblemente útil para aplicaciones militares.

Hay bastante que digerir aquí, suponiendo que no tengamos otra situación «cuántica, pero no realmente» en nuestras manos, una que refleje el reciente intento de Irán de arrojar luz sobre sus capacidades de computación cuántica que, curiosamente, resultó contraproducente. (Quizás alguien en Irán debería haber leído nuestro artículo «¿Qué es la computación cuántica?»).

Un nuevo experimento utiliza qubits superconductores para demostrar que la mecánica cuántica viola lo que se llama realismo local al permitir que dos objetos se comporten como un solo sistema cuántico sin importar cuán grande sea la separación entre ellos. El experimento no fue el primero en mostrar que el realismo local no es la forma en que funciona el Universo, ni siquiera es el primero en hacerlo con qubits.

Pero es el primero en separar los qubits a una distancia suficiente para garantizar que la luz no sea lo suficientemente rápida para viajar entre ellos mientras se realizan las mediciones. Y lo hizo enfriando un cable de aluminio de 30 metros de largo a unos pocos miliKelvin. Debido a que los qubits son tan fáciles de controlar, el experimento brinda una nueva precisión a este tipo de mediciones. Y la configuración del hardware puede ser esencial para futuros esfuerzos de computación cuántica.

Ser real sobre el realismo

Albert Einstein se mostró incómodo con algunas de las consecuencias del entrelazamiento cuántico. Si la mecánica cuántica fuera correcta, entonces un par de objetos entrelazados se comportarían como un solo sistema cuántico sin importar cuán separados estuvieran los objetos. Alterar el estado de uno de ellos debería alterar instantáneamente el estado del segundo, y el cambio aparentemente ocurre más rápido de lo que la luz podría viajar entre los dos objetos. Esto, argumentó Einstein, casi con certeza tenía que estar equivocado.

A lo largo de los años, la gente ha propuesto varias versiones de lo que se denominan variables ocultas: propiedades físicas que se comparten entre los objetos, lo que permite un comportamiento similar al enredo y mantiene localizada la información que dicta ese comportamiento. Las variables ocultas conservan lo que se llama «realismo local», pero resultan no describir nuestra realidad.

El físico John Bell demostró que todos los marcos de variables locales limitan el grado en que se puede correlacionar el comportamiento de los objetos cuánticos. Pero la mecánica cuántica predice que las correlaciones deberían ser más altas que eso. Al medir el comportamiento de pares de partículas entrelazadas, podemos determinar si violan las ecuaciones de Bell y, por lo tanto, demostrar claramente que las variables ocultas no explican su comportamiento.

Los pasos iniciales hacia esta demostración fueron malos para las variables ocultas pero permitieron lagunas: aunque se violaron las desigualdades de Bell, seguía siendo posible que la información viajara entre los objetos cuánticos a la velocidad de la luz. Pero en las últimas décadas, las lagunas se han cerrado gradualmente y se han entregado los premios Nobel.

Entonces, ¿por qué volver a los experimentos? En parte porque los qubits nos dan un gran control sobre el sistema, permitiéndonos realizar rápidamente una gran cantidad de experimentos y sondear el comportamiento de este entrelazamiento. Y en parte porque es un desafío técnico interesante. Los qubits superconductores se controlan con radiación de microondas, y entrelazarlos requiere mover algunos fotones de microondas de muy baja energía entre los dos. Y hacer eso sin que el ruido ambiental lo arruine todo es un desafío serio.

IBM anunció hoy la última generación de su familia de procesadores cuánticos con temática aviar, el Osprey. Con más de tres veces el número de qubits de su procesador Eagle de la generación anterior, Osprey es el primero en ofrecer más de 400 qubits, lo que indica que la compañía sigue en camino de lanzar el primer procesador de 1000 qubits el próximo año.

A pesar del alto número de qubits, no hay necesidad de apresurarse a volver a cifrar todos sus datos confidenciales todavía. Si bien las tasas de error de los qubits de IBM han mejorado constantemente, aún no han alcanzado el punto en el que los 433 qubits de Osprey se pueden usar en un solo algoritmo sin una probabilidad de error muy alta. Por ahora, IBM enfatiza que Osprey es una indicación de que la compañía puede apegarse a su hoja de ruta agresiva para la computación cuántica y que el trabajo necesario para que sea útil está en progreso.

En el camino

Para comprender el anuncio de IBM, es útil comprender el mercado de la computación cuántica en su conjunto. Ahora hay muchas empresas en el mercado de la computación cuántica, desde nuevas empresas hasta grandes empresas establecidas como IBM, Google e Intel. Han apostado por una variedad de tecnologías, desde átomos atrapados hasta electrones de repuesto y bucles superconductores. Prácticamente todos están de acuerdo en que para alcanzar el máximo potencial de la computación cuántica, debemos llegar a donde los recuentos de qubits sean de decenas de miles y las tasas de error en cada qubit individual sean lo suficientemente bajas como para que puedan vincularse entre sí en un número menor de errores. corrección de qubits.

También existe un consenso general de que la computación cuántica puede ser útil para algunos problemas específicos mucho antes. Si los recuentos de qubit son lo suficientemente altos y las tasas de error son lo suficientemente bajas, es posible que volver a ejecutar cálculos específicos suficientes veces para evitar un error aún obtenga respuestas a problemas que son difíciles o imposibles de lograr en las computadoras típicas.

La pregunta es qué hacer mientras trabajamos para reducir la tasa de error. Dado que la probabilidad de errores aumenta en gran medida con el recuento de qubits, agregar más qubits a un cálculo aumenta la probabilidad de que los cálculos fallen. Un ejecutivo de una empresa de qubits de iones atrapados me dijo que sería trivial para ellos atrapar más iones y tener un recuento de qubits más alto, pero no ven el sentido: el aumento de errores dificultaría la tarea. para completar cualquier cálculo. O, dicho de otro modo, para tener una buena probabilidad de obtener un resultado de un cálculo, tendría que usar menos qubits de los disponibles.

Osprey no cambia fundamentalmente nada de eso. Si bien la persona de IBM no lo reconoció directamente (y preguntamos dos veces), es poco probable que un solo cálculo pueda usar los 433 qubits sin encontrar un error. Pero, como explicó Jerry Chow, director de Infraestructura del grupo cuántico de IBM, aumentar el número de qubits es solo una rama del proceso de desarrollo de la empresa. La publicación de los resultados de ese proceso como parte de una hoja de ruta a largo plazo es importante debido a las señales que envía a los desarrolladores y posibles usuarios finales de la computación cuántica.

En el mapa

IBM lanzó su hoja de ruta en 2020 y pidió que el procesador Eagle del año pasado fuera el primero con más de 100 qubits, acertó con el recuento de qubits de Osprey e indicó que la empresa sería la primera en eliminar 1000 qubits con el Condor del próximo año. La iteración de este año en la hoja de ruta amplía la línea de tiempo y proporciona muchos detalles adicionales sobre lo que está haciendo la empresa más allá de aumentar el número de qubits.

La adición más notable es que Condor no será el único hardware lanzado el próximo año; un procesador adicional llamado Heron está en el mapa que tiene un recuento de qubit más bajo pero tiene el potencial de vincularse con otros procesadores para formar un paquete de múltiples chips (un paso que ya ha dado un competidor en el espacio). Cuando se le preguntó cuál era la mayor barrera para escalar el número de qubits, Chow respondió que «es el tamaño del chip real. Los qubits superconductores no son las estructuras más pequeñas, en realidad son bastante visibles a simple vista». Colocar más de ellos en un solo chip crea desafíos para la estructura del material del chip, así como para las conexiones de control y lectura que deben enrutarse dentro de él.

«Creemos que vamos a girar esta manivela una vez más, utilizando este tipo de tecnología básica de un solo chip con Condor», dijo Chow a Ars. «Pero, sinceramente, no es práctico si comienzas a hacer chips individuales que probablemente tengan una gran proporción del tamaño de una oblea». Entonces, mientras que Heron comenzará como una rama secundaria del proceso de desarrollo, todos los chips más allá de Condor tendrán la capacidad de formar enlaces con procesadores adicionales.

Ir a debate…

Inspirándose en el funcionamiento de los láseres pulsados, científicos de Francia y Japón han desarrollado una contraparte acústica que permite la transmisión precisa y controlada de electrones individuales entre nodos cuánticos.

montando las olas

El giro de un electrón puede servir como base para crear qubits, la unidad básica de información de la computación cuántica. Para procesar o almacenar esa información, es posible que la información en qubits deba transportarse entre nodos cuánticos en una red.

Una opción es transportar los electrones, algo que ahora se puede hacer haciendo que viajen en ondas de sonido. “Hace más de 10 años, lo demostramos por primera vez”, dijo el investigador principal Christopher Bauerle del Instituto Néel con sede en Grenoble.

Sin embargo, esta técnica tenía un inconveniente importante. Como cualquier onda, una onda de sonido toma una forma sinusoidal, que consta de muchos máximos y mínimos, lo que dificulta predecir la ubicación del electrón.

Bauerle y su equipo ahora han solucionado este problema mediante la ingeniería de una onda que tiene un único mínimo o un único máximo. “Usando una técnica llamada síntesis de Fourier, superpusimos muchas ondas con diferentes frecuencias de tal manera que solo había un mínimo o un máximo dependiendo de si aplicas voltaje positivo o negativo”, dijo.

Bauerle compara estas ondas de sonido concentradas con pulsos de láser. “Si desea realizar mediciones resueltas en el tiempo, excita un sistema con un pulso láser corto. Usamos una técnica similar en nuestro sistema usando sonido. Como tenemos un pulso acústico enfocado, sabemos exactamente en qué momento llegará el electrón a un nodo”, dijo.

Paulo Santos, un experto en nanoelectrónica con sede en Berlín del Instituto Paul Drude de Electrónica de Estado Sólido, compara la técnica con un surfista montando una ola. «Al igual que un surfista es transportado por una ola en un océano, el qubit de electrones monta la onda acústica de la superficie para moverse en la red cuántica», comentó Santos, que no formó parte del estudio.

Haciendo olas

Para generar estas ondas sonoras, se incrustó un chip que contenía nodos cuánticos en un cristal de arseniuro de galio unido a dos electrodos chapados en oro depositados sobre un sustrato piezoeléctrico. Se genera un campo eléctrico aplicando un voltaje alterno a estos electrodos. El campo eléctrico variable deforma el material piezoeléctrico y genera ondas acústicas superficiales. Van acompañados de un campo eléctrico en movimiento (generado por el efecto piezoeléctrico inverso) que ayuda a transportar los electrones.

Bauerle enumeró varias ventajas de este sistema, que funciona a temperaturas entre 20 miliKelvin y un Kelvin. «Los electrones se transportan entre los nodos a la velocidad del sonido (3000 m/s). Esto, junto con la forma precisa y controlada de transmisión de electrones, nos permite manipular la información cuántica en tiempo real. Si la comparas con la sistema cuántico fotónico, las manipulaciones deben hacerse de antemano porque la información se transmite a la velocidad de la luz, que es demasiado rápida para la manipulación en tiempo real», dijo.

Además, esta técnica se puede escalar potencialmente debido al gran tamaño de la forma de onda. «Una sola onda acústica puede transportar electrones de diferentes nodos cuánticos al mismo tiempo», dijo Bauerle, y agregó que lograron una eficiencia de transmisión del 99,4 por ciento durante sus experimentos.

Según Santos, la capacidad única de esta técnica para transportar con precisión qubits y manipularlos sobre la marcha en un chip podría tener varias aplicaciones distintas en el futuro. «El próximo gran paso es demostrar el entrelazamiento de estos qubits voladores. El otro gran esfuerzo será transferir esta tecnología del arseniuro de galio a otros materiales como el silicio».

Agregó, sin embargo, que podrían pasar años antes de ver aplicaciones prácticas basadas en esta investigación.

Santos destacó que los giros de electrones son solo uno de los muchos enfoques para procesar información cuántica; otras opciones incluyen fotones, qubits superconductores y átomos fríos. Señaló que los qubits de fotones seguirán siendo un enfoque principal en los sistemas cuánticos.

«Hay más personas trabajando en el procesamiento cuántico basado en fotones porque ya existe una gran infraestructura. Por ejemplo, los chips basados ​​en silicio también tienen óptica integrada. La técnica de ‘navegación de electrones’ es compatible con la integración en el chip y puede beneficiarse de estos desarrollos», dijo, sugiriendo que los avances en uno pueden ayudar con el otro.

Revisión física X, 2022. DOI: 10.1103/PhysRevX.12.031035

Dhananjay Khadilkar es un periodista residente en París.

Casi se puede escuchar la inhalación de las salas de redacción de todo el mundo. Los periodistas científicos especializados se han escondido en el baño para llorar en silencio. ¿La causa de tanta desesperación? Alguien ha publicado un documento que contiene la palabra «topología», algo que nadie sabe cómo explicar, lo que obliga a la gente a recurrir a metáforas sobre las donas obligadas a convertirse en tazas de café, a pesar de que no hay ni café ni donas en oferta.

Y aunque la topología es fundamental para los nuevos resultados, también es tangencial para explicarlos (en mi opinión, de todos modos). Entonces, ¿cuáles son esos resultados?

Uno de los grandes problemas de las computadoras cuánticas es que acumulan errores, y la velocidad a la que eso sucede limita la complejidad de los problemas que pueden resolver. Este nuevo artículo muestra cómo reducir los errores, no mediante la ingeniería, sino mediante la comprensión (y el uso) de los estados cuánticos correctos y su acoplamiento para generar un sistema que sea naturalmente más inmune a ciertos tipos de ruido. Así que tómate un café y una dona y sumérgete en el ruidoso mundo de los qubits.

Los qubits adolescentes nunca reducen el ruido

Los investigadores trabajaron con una computadora cuántica basada en 10 iones atrapados. Cada ion es un solo qubit (el equivalente cuántico de un solo bit), con los valores uno y cero definidos por el estado cuántico del ion. El estado cuántico de cada ion se puede cambiar aplicando campos magnéticos y láseres brillantes sobre ellos.

A diferencia de un sistema digital, donde un bit puede pasar de uno a cero con certeza, una computadora cuántica opera en un mundo analógico. El equivalente a un bit flip en el mundo de la computación cuántica significa invertir la probabilidad de que un bit se mida como uno o cero. Por ejemplo, si la probabilidad de que un qubit sea uno fuera del 75 por ciento, un cambio de bit cambiaría eso al 25 por ciento.

Además, a diferencia de un sistema digital, este proceso es algo propenso a errores. Para realizar una operación de cambio de bits en un qubit, se debe aplicar una cierta cantidad de energía al qubit. Esto puede hacerse con un láser que brille durante un tiempo específico con una potencia específica. Pero los láseres no son perfectos, por lo que ninguna operación sale exactamente como se planeó. El qubit invertido es, como Westley, solo principalmente invertido Después de varios cambios de bits imperfectos, el estado del qubit será completamente aleatorio e inutilizable.

Una forma de error más insidiosa se denomina «error coherente», en el que los cambios en el estado de un qubit influyen en los qubits a los que está acoplado el primero. Pero necesita ese acoplamiento para realizar cálculos, lo que presenta un dilema.

Como hemos discutido, un qubit tiene un estado. Pero en un mundo cuántico, ese estado cambia con el tiempo. Este cambio debe seguir un patrón predecible para que las operaciones computacionales puedan programarse en el momento adecuado. Cuanto más tiempo cambie el estado de forma predecible, más coherente será el sistema. En los errores coherentes, los qubits vecinos ejercen una atracción entre sí, por lo que aún cambian de una manera no aleatoria (y, por lo tanto, siguen siendo coherentes), pero esa atracción hace que el cambio ocurra a un ritmo diferente. Esto significa que las operaciones computacionales se cronometrarán incorrectamente. Puede pensar en esto como un error sistemático, pero es diferente para cada cálculo.

Este nuevo artículo realiza un esquema que usa la secuencia de Fibonacci en combinación con el acoplamiento coherente entre qubits para retardar la acumulación de errores coherentes.