Enterrado en una astilla de silicio se encuentra un único átomo de antimonio y, en su interior, un núcleo que gira en uno de los ocho estados posibles. Esos ocho estados están haciendo un trabajo. Contienen información cuántica, la frágil materia prima de una futura computadora, en una forma que los físicos llaman poéticamente el estado del gato de Schrödinger. Y aquí está el problema: para que la máquina siga funcionando, hay que seguir comprobando si el gato sigue vivo. Si miras demasiado, lo matarás.
Ése, más o menos, es el principal dolor de cabeza de la corrección de errores cuánticos. Una computadora cuántica útil necesitará medir sus propias entrañas constantemente, buscando errores a mitad de cálculo, sin manchar los datos que está tratando de proteger.
Un equipo de la Universidad de Nueva Gales del Sur ha encontrado una forma clara de solucionar el problema y lo ha explicado con una metáfora que prácticamente se escribe sola. “Imagínese que está tratando de encontrar a su gato escondido en una de ocho cajas de cartón idénticas, en una habitación oscura y ruidosa”, dice Andrea Morello, profesora de Scientia en la UNSW. No puedes abrir las cajas porque abrir una puerta puede matar al gato. Entonces, ¿cómo lo encuentras? Podrías instalar ocho aspersores, uno por caja, rociar cada uno por turno y escuchar un maullido indignado.
El problema es el ruido. En un escándalo, es posible que escuches un maullido proveniente de una caja vacía o que te pierdas uno real de la caja correcta.
La solución habitual es la repetición bruta: rociar todo una y otra vez y luego apostar por la casilla que grite con más frecuencia. Pero cada spray es una apuesta. “Rociar repetidamente las cajas corre el riesgo de cambiar precisamente lo que estás tratando de observar”, dice Morello. Rocíe demasiado y el gato asustado se escapará a una caja diferente. En el laboratorio, el “gato” es el núcleo de antimonio, y el “aspersor” es un electrón introducido en el átomo y luego retirado según el estado nuclear. Ese tirón es lo que puede llevar al núcleo a un nuevo estado, un efecto conocido con el nombre bastante brutal de choque de ionización.
El equipo de Morello, con el autor principal Arjen Vaartjes, hizo una pregunta diferente. ¿Qué pasa si te detienes en el momento en que escuchas el primer maullido?
El truco consiste en tratar ese primer chillido como una suposición y luego cambiar de táctica por completo. En lugar de seguir rociando todo, rocías sólo las cajas donde supuestamente no está el gato. Si todos permanecen en silencio, su suposición se vuelve más fuerte, y lo más importante es que habrá aprendido esto sin ni siquiera tocar la caja en la que cree que está el gato. Mecánica cuántica, esas cajas silenciosas son lo que los investigadores llaman el subespacio del estado oscuro, y sondearlas es una medición de “resultado negativo”: se extrae información de la ausencia de una señal, dejando intacta la física subyacente del sistema. “La ausencia de una señal confirma la presencia de otra, sin interactuar directamente con el sistema”, afirma Morello. O, como él lo expresa de manera más memorable: “A veces, el silencio puede ser ruidoso”. En el dispositivo real, esto significa que el electrón entrometido solo necesita salir del átomo una vez, después de lo cual el protocolo simplemente escucha los estados vacíos.
Los números respaldan la metáfora. Utilizando este enfoque adaptativo en el qudit de antimonio, el equipo aumentó su fidelidad de lectura de aproximadamente el 98,93 por ciento al 99,61 por ciento, al tiempo que redujo el tiempo total de medición a aproximadamente un tercio. Eso suena como un modesto aumento. No lo es.
“Este valor es significativo porque sitúa a nuestro sistema en el rango de fidelidades de medición necesarias para realizar con éxito una corrección de errores cuánticos”, afirma Vaartjes. Si se cruza ese umbral, se estará, en principio, en un territorio en el que el mecanismo de corrección de errores puede realmente mantenerse al día con los errores.
Lo que hace que el trabajo vaya más allá de un chip en Sydney es que el problema subyacente está en todas partes. Muchas plataformas cuánticas leen sus delicados qubits indirectamente, empujando una partícula mensajera y viendo qué sucede, y en muchas de ellas un resultado de medición empuja al sistema con más fuerza que el otro. El grupo de la UNSW considera que la misma lógica de detenerse al primer maullido debería aplicarse a los centros de nitrógeno vacante en diamantes, a hacer girar qubits en puntos cuánticos, a grupos de átomos donantes, e incluso a conjuntos de átomos neutros sostenidos con pinzas láser. “Debido a que muchas arquitecturas también emplean hardware similar, el nuevo protocolo se puede adaptar fácilmente a otras plataformas que sufren errores durante la medición”, dice Morello. Mejor aún, funciona con una humilde lógica programable que ya se encuentra en la mayoría de los laboratorios; Vaartjes atribuye el resultado a “una FPGA rápida, una taza de café, un equipo dedicado de investigadores inteligentes y una larga tarde de viernes codificando”.
Nada de esto significa que una computadora cuántica funcional esté a la vuelta de la esquina. La lectura es sólo una de varias cosas que tienen que borrar la barra de tolerancia a fallos a la vez, y en el sistema de antimonio la medición todavía tarda lo suficiente, milisegundos, como para que la información pueda empezar a desvanecerse antes de que haya terminado.
En parte, es por eso que el equipo ya está considerando primos más rápidos de esta configuración, incluida una versión que lee el núcleo a través de un punto cuántico cercano en una fracción del tiempo.
Aún así, hay algo silenciosamente satisfactorio en la idea central. Desde hace un siglo, el gato de Schrödinger representa la imposibilidad de mirar sin molestar. He aquí un caso en el que, eligiendo con mucho cuidado qué no mirar, puedes echar un vistazo y dejar vivir al gato. “Ahora podemos extraer información sobre el sistema cuántico con la suficiente suavidad para mantenerlo intacto”, afirma Morello. Lo siguiente que hay que descubrir es si esa gentileza se amplía hasta los millones de mediciones que exigirá una máquina real.
DOI: 10.1103/jtn1-wzyl
Preguntas frecuentes
¿Por qué medir una computadora cuántica corre el riesgo de destruir sus datos?
En los sistemas cuánticos, el acto de mirar puede por sí mismo hacer que lo que se está observando se lleve a un estado diferente. La corrección de errores necesita comprobar si hay errores una y otra vez mientras se ejecuta un cálculo, por lo que cada una de esas comprobaciones es una posibilidad de corromper la propia información que se está protegiendo. El resultado de UNSW es importante porque muestra que puede recopilar esa información sin apenas tocar el sistema.
¿Cómo te dice algo escuchar las cajas “vacías”?
Una vez que se tiene una primera suposición sobre dónde se encuentra el estado cuántico, se investigan sólo los estados en los que supuestamente no se encuentra. Si éstos permanecen en silencio, su confianza en la suposición aumenta y, como nada respondió, la física subyacente del sistema no se altera. Es información extraída de una ausencia de señal más que de un toque directo, razón por la cual el equipo pide silencio en voz alta.
¿Es el 99,61 por ciento realmente suficiente para una computadora cuántica?
Para este paso en particular, la lectura, cruza el rango que los físicos creen que es necesario para que la corrección de errores siga el ritmo de los errores, razón por la cual el autor principal lo marcó como significativo. Pero la lectura es sólo un ingrediente; Las puertas y la inicialización tienen que borrar barras similares al mismo tiempo. Por lo tanto, es un hito significativo más que una línea de meta.
¿Podría este truco funcionar en otros tipos de computadoras cuánticas, no sólo en átomos de silicio?
Los investigadores creen que sí, porque el problema básico, leer un qubit indirectamente a través de una partícula mensajera que altera un resultado más que el otro, surge en muchas plataformas. Señalan como posibles candidatos los centros de nitrógeno vacante en diamantes, los qubits de espín de puntos cuánticos, los grupos de donantes y las matrices de átomos neutros. Y dado que funciona con chips lógicos programables que la mayoría de los laboratorios ya poseen, adoptarlo debería ser relativamente sencillo.
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