El diseño de qubit alternativo corrige errores en el hardware

Existe un consenso general de que ejecutar 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 para ser confiables en cálculos complejos, por lo que la información cuántica deberá distribuirse entre múltiples qubits, lo que permitirá monitorear los errores e intervenir cuando ocurran.

Pero la mayoría de las formas de crear estos “qubits lógicos” necesarios para la corrección de errores requieren de docenas a más de cien qubits de hardware individuales. Esto significa que necesitaremos decenas de miles o millones de qubits de hardware para realizar cálculos. El hardware existente sólo superó la marca de los 1.000 qubit el mes pasado, 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.

Descubre el qubit bosónico

La tecnología subyacente a este trabajo se llama qubit bosónico y no es nada nuevo; una empresa de instrumentos ópticos tiene una lista de productos para aquellos que notan su potencial para su uso en la corrección de errores. Pero aunque los conceptos detrás de su uso de esta manera estaban bien establecidos, las demostraciones se estaban quedando atrás. Nord Quantique ahora tiene publicó un artículo en arXiv que detalla una demostración de que realmente reducen las tasas de error.

Los dispositivos están estructurados como un transmon, la forma de qubit favorecida por los pesos pesados ​​de la tecnología como IBM y Google. Allí, la información cuántica se almacena en un bucle de cable superconductor y es controlada por lo que se llama un resonador de microondas: un pequeño trozo de material donde los fotones de microondas rebotan de un lado a otro durante un tiempo antes de perderse.

Un qubit bosónico pone patas arriba esta situación. En este hardware, la información cuántica se guarda en fotones, mientras que el cable superconductor y el resonador controlan el sistema. Ambos están conectados a una cavidad coaxial (pensemos en una estructura que, aunque microscópica, se parece un poco al extremo de un conector de cable).

De manera extremadamente 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 andar mal, el cable resonador/superconductor permite realizar intervenciones para restaurar el estado original. No se requieren 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 (desplazamientos de bits y cambios de fase).

En la preimpresión de arXiv, el equipo de Nord Quantique demostró que el sistema funciona. Al utilizar un solo qubit y simplemente medir si mantiene su estado original, el sistema de corrección de errores puede reducir los problemas en un 14%. Desafortunadamente, la fidelidad general también es baja, comenzando en alrededor del 85%, que es significativamente más baja que la observada en otros sistemas que han pasado por años de trabajo de desarrollo. Se ha demostrado que algunos qubits tienen una fidelidad superior al 99%.

Volverse 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 le dijo a Ars que, aunque la empresa es pequeña, se beneficia de ser una spin-out de Instituto Cuántico en la Universidad Sherbrooke de Canadá, uno de los principales centros de investigación cuántica de Canadá. Además de tener acceso a la experiencia local, Nord Quantique utiliza una instalación de fabricación en Sherbrooke para fabricar su hardware.

El año que viene, la empresa 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 qubits 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 el largo plazo. La empresa confía en 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 con la suficiente rapidez mientras mantienen el control y las tasas de error necesarias, esto puede no importar. Dicho de otra manera, si Nord Quantique todavía se encuentra en el rango de los cientos de qubits cuando otras empresas se encuentran en los cientos de miles, su tecnología puede no tener éxito, incluso si tiene algunas ventajas inherentes.

Pero esa es la parte divertida del campo tal como está: realmente no lo sabemos. Algunas 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, sin dejar de permitir la capacidad de realizar manipulaciones cuánticas que eran ciencia de vanguardia hace apenas unas décadas.

En el fondo está el simple hecho de que nunca intentamos escalar algo como esto en la medida necesaria. Obstáculos técnicos imprevistos pueden limitar el progreso en algún momento en el futuro.

A pesar de todo esto, hay personas que apoyan cada una de estas tecnologías y que saben mucho más sobre mecánica cuántica que yo. Es un momento divertido.