Paso clave hacia la computación cuántica libre de errores

El naciente campo de la computación cuántica ha registrado un hito histórico: Un experimento cuyos resultados han sido presentados recientemente demuestra una estrategia lo bastante fiable hacia la construcción de una computadora cuántica resistente a todo tipo de errores. Es la primera vez que se consigue corregir errores arbitrarios, y realizar computaciones cuánticas robustas y resistentes. El estado cuántico construido es el más complejo e innovador conseguido de modo experimental hasta la fecha. Es genuinamente distinto de los logrados en experimentos anteriores, ya que, entre otras cosas, su complejidad de entrelazamiento cuántico es superior a la de los sistemas construidos previamente.

Este logro tan prometedor es fruto de la colaboración estrecha entre físicos españoles y austríacos. Este equipo, de la Universidad de Innsbruck en Austria y la Universidad Complutense de Madrid en España, ha conseguido codificar un bit cuántico en estados entrelazados de varias partículas y, por primera vez, se ha logrado realizar con éste computaciones sencillas. El registro cuántico de siete componentes podría servir como módulo básico para un ordenador cuántico que pueda corregir todo tipo de errores. Los científicos han dado a conocer sus resultados a través de la revista académica Science.

Los ordenadores son susceptibles a errores. Pequeñas perturbaciones pueden modificar la información y falsear el resultado del cálculo. Por ello, en los ordenadores convencionales se utilizan procedimientos específicos con los cuales continuamente se pueden detectar y corregir errores. Un futuro ordenador cuántico también necesitará una corrección de errores: "Los fenómenos de la física cuántica son muy frágiles y susceptibles a perturbaciones, y los errores se pueden propagar rápidamente y desestabilizar un ordenador", explica Thomas Monz, miembro del grupo de investigación de Rainer Blatt en el Instituto de Física Experimental de la Universidad de Innsbruck en Austria. Junto con Markus Müller, del Departamento de Física Teórica I de la Universidad Complutense de Madrid en España, así como Miguel Ángel Martín-Delgado, del mismo departamento y universidad, con quien los redactores de NCYT de Amazings hemos estado en contacto con motivo de la presentación de estos resultados experimentales, los físicos de Innsbruck han desarrollado y comprobado en el laboratorio un nuevo método de corrección de errores. "Un bit cuántico no sólo es muy complejo y no puede ser copiado, sino que además los errores en el mundo cuántico son más variados y difíciles de combatir que en los ordenadores de hoy en día", enfatiza Monz. "Para poder detectar y corregir errores en un ordenador cuántico es necesario recurrir a sofisticados códigos cuánticos de corrección de errores." El código usado en el experimento actual fue propuesto y desarrollado por el Grupo de Información y Computación Cuántica (GICC) de Martín-Delgado en Madrid. El código distribuye los bits cuánticos en una red bidimensional en la que éstos pueden interactuar con las partículas vecinas.

En el laboratorio de la Universidad de Innsbruck, los físicos utilizan una trampa de iones en la que atrapan siete átomos de calcio. Éstos, mediante láseres, se enfrían hasta alcanzar una temperatura muy próxima al Cero Absoluto, y pueden ser controlados con alta precisión. Los investigadores almacenan los estados cuánticos frágiles del bit cuántico lógico en los estados entrelazados de estas partículas, y es justamente el código cuántico de corrección de errores el que proporciona el programa que lo hace robusto. "Por la elevada complejidad del estado cuántico, codificar el bit cuántico lógico en estos siete bits cuánticos ha sido un verdadero desafío experimental", comenta Daniel Nigg del grupo de investigación de Rainer Blatt. Los físicos realizaron la codificación en tres pasos, en cada uno de los cuales aplicaron una secuencia compleja de pulsos de láser para entrelazar grupos de cuatro bits cuánticos vecinos. "Con esto se ha conseguido por primera vez utilizar siete átomos de manera controlada para almacenar un único bit cuántico", cuenta con entusiasmo Markus Müller, quien en el año 2011 se trasladó de Innsbruck a la Universidad Complutense de Madrid. "Estos átomos, entrelazados de esta forma específica, proporcionan suficiente información para sucesivas correcciones de errores y computaciones cuánticas".

En el siguiente paso, los físicos comprobaron la posibilidad de detectar y corregir los diferentes tipos de errores. "Hemos conseguido demostrar en el experimento que en este sistema cuántico se pueden detectar y corregir de manera independiente, y para cada una de las partículas, todos los posibles tipos de errores", indica Daniel Nigg. "Para ello, sólo necesitamos información sobre las correlaciones entre las partículas, en vez de medidas de las partículas individuales", explica Esteban Martínez, colega de Nigg en el experimento. Los físicos no sólo lograron detectar los errores; por primera vez también consiguieron realizar pasos computacionales básicos, e incluso ejecutar secuencias de cómputo más largas en un bit cuántico codificado de esta forma. Una vez superado el obstáculo de la laboriosa codificación, sólo se requieren manipulaciones en bits cuánticos individuales para llevar a cabo las operaciones computacionales. "Este código cuántico nos permite por primera vez realizar computaciones cuánticas elementales y al mismo tiempo corregir todo tipo de posibles errores", explica Thomas Monz, comentando este importante avance hacia el desarrollo de un ordenador cuántico viable y tolerante a errores.

La línea desarrollada entre los físicos españoles y austríacos constituye una base prometedora para futuras investigaciones. "El modelo de los siete átomos, empleado para el almacenamiento de un bit cuántico lógico, puede servir como módulo fundamental para sistemas cuánticos mucho más grandes", explica el físico teórico Müller. "Cuanto más grande es la red de bits cuánticos, más robusta se hace. Al final de este desarrollo podría estar un ordenador cuántico, capaz de ejecutar computaciones arbitrariamente largas, sin que le afecten errores". Sin embargo, este experimento no sólo abre nuevas perspectivas para futuros desarrollos tecnológicos. "También se presentan nuevos desafíos metodológicos, entre ellos por ejemplo la cuestión de cómo caracterizar estos bits cuánticos lógicos tan grandes", comenta Rainer Blatt, pensando en el futuro. "Juntos ya estamos trabajando en diversas mejoras de los códigos cuánticos empleados, y en su optimización para computaciones cuánticas aun más extensas", añade Martín-Delgado.

El proyecto ha sido financiado por varias instituciones, entre ellas el Ministerio de Economía y Competitividad de España, el programa "Quantum Information Technologies in Madrid (QUITEMAD)" de la Comunidad de Madrid, el Austrian Science Fund (FWF), la Comisión Europea (PICC), la Industria Tirolesa, y el Gobierno de Estados Unidos. (Fuente: Universidad Complutense de Madrid / Universidad de Innsbruck)

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