Récord de fidelidad en un bit cuántico usando un método rápido de control

Un nuevo avance en el campo de la computación cuántica ofrece una posible vía para lograr un buen sistema de corrección de errores, algo que ha venido siendo durante mucho tiempo una “asignatura pendiente” en la computación cuántica.

La computación cuántica permitirá resolver problemas complejos con una rapidez exponencialmente mayor que la alcanzable por la computación convencional, utilizando los principios de la mecánica cuántica para codificar y manipular información en bits cuánticos (qubits).

Los bits cuánticos son los componentes básicos de un ordenador cuántico. Sin embargo, uno de los retos de fabricar ordenadores cuánticos más grandes y potentes que los probados en laboratorios es que los qubits son muy sensibles al “ruido de fondo” y a las imperfecciones de su sistema de control, que introducen errores en las operaciones cuánticas y, en última instancia, limitan la complejidad y duración de un algoritmo cuántico. Para mejorar la situación, un equipo encabezado por David Rower, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Estados Unidos, ha desarrollado dos nuevas técnicas de control y con ellas ha conseguido un récord mundial de fidelidad de un solo qubit del 99,998 por ciento. Las técnicas creadas por el equipo están pensadas para emplearse en qubits superconductores del tipo conocido como fluxonio (fluxonio).

Uno de los principales retos de la computación cuántica es la decoherencia, un proceso por el que los qubits pierden su información cuántica. Al usar bits cuánticos de tipos como el de los qubits superconductores, la decoherencia cuántica impide conseguir puertas cuánticas con una fidelidad razonablemente alta.

Las computadoras cuánticas necesitan puertas cuánticas con una fidelidad lo bastante grande como para que en ellas puedan funcionar debidamente protocolos como el de la corrección de errores cuánticos. Solo así, se conseguirá que tales ordenadores operen de manera fiable y constante, como un ordenador convencional.

La comunidad científica trabaja en el desarrollo de técnicas para hacer las puertas cuánticas lo más rápidas posible con el fin de reducir el impacto de la decoherencia. Sin embargo, a medida que las puertas son más rápidas, aumentan las posibilidades de que aparezca otro tipo de error, uno propiciado por la manera en que los qubits se controlan ante ondas electromagnéticas.

Rower y sus colegas han solucionado este problema creando un nuevo sistema en el cual el bit cuántico es irradiado con dos señales de control, una de carga y otra de flujo. Estas señales de control están diseñadas de tal modo que su combinación crea una pauta que neutraliza a esa otra clase de error.

En esta recreación artística de uso de la nueva técnica del MIT, la esfera representa un bit cuántico, el cual es irradiado con dos señales de control: la de carga (izquierda) y la de flujo (derecha). (Imagen: Jorge Munnshe para NCYT de Amazings)

Esta línea de investigación y desarrollo ha recibido financiación del estamento militar y de inteligencia de Estados Unidos.

Rower y sus colegas exponen los detalles técnicos principales de su innovación en la revista académica PRX Quantum, bajo el título “Suppressing Counter-Rotating Errors for Fast Single-Qubit Gates with Fluxonium". (Fuente: NCYT de Amazings)