Corregir las "fluctuaciones" en dispositivos cuánticos

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2020-02-18Corregir las "fluctuaciones" en dispositivos cuánticos

Noticias del MIT |Un nuevo estudio sugiere un camino hacia una corrección de errores más eficiente, que puede ayudar a que las computadoras y sensores cuánticos sean más prácticos.

Los laboratorios de todo el mundo están compitiendo para desarrollar nuevos dispositivos informáticos y de detección que operen según los principios de la mecánica cuántica y puedan ofrecer ventajas espectaculares sobre sus contrapartes clásicas. Pero estas tecnologías aún enfrentan varios desafíos, y uno de los más importantes es cómo lidiar con el "ruido": fluctuaciones aleatorias que pueden erradicar los datos almacenados en dichos dispositivos.

Un nuevo enfoque desarrollado por investigadores del MIT podría proporcionar un avance significativo en la corrección de errores cuánticos. El método implica ajustar el sistema para abordar los tipos de ruido que son más probables, en lugar de lanzar una red amplia para tratar de atrapar todas las fuentes posibles de perturbación.

El análisis se describe en la revista Physical Review Letters , en un artículo del estudiante graduado del MIT David Layden, postdoc Mo Chen, y la profesora de ciencias e ingeniería nuclear Paola Cappellaro.

"Los principales problemas que enfrentamos ahora al desarrollar tecnologías cuánticas son que los sistemas actuales son pequeños y ruidosos", dice Layden. El ruido, que significa perturbación no deseada de cualquier tipo, es especialmente molesto porque muchos sistemas cuánticos son inherentemente altamente sensibles, una característica subyacente en algunas de sus aplicaciones potenciales.

Y hay otro problema, dice Layden, que es que los sistemas cuánticos se ven afectados por cualquier observación. Entonces, si bien uno puede detectar que un sistema clásico está a la deriva y aplicar una corrección para empujarlo hacia atrás, las cosas son más complicadas en el mundo cuántico. "Lo realmente complicado de los sistemas cuánticos es que cuando los miras, tiendes a colapsarlos", dice.

Los esquemas de corrección de errores clásicos se basan en la redundancia. Por ejemplo, en un sistema de comunicación sujeto a ruido, en lugar de enviar un solo bit (1 o 0), uno podría enviar tres copias de cada uno (111 o 000). Luego, si los tres bits no coinciden, eso muestra que hubo un error. Cuantas más copias de cada bit se envíen, más efectiva puede ser la corrección de errores.

El mismo principio esencial podría aplicarse para agregar redundancia en bits cuánticos, o "qubits". Pero, dice Layden, “si quiero tener un alto grado de protección, necesito dedicar una gran parte de mi sistema a hacer este tipo de controles. Y esto no es un iniciador en este momento porque tenemos sistemas bastante pequeños; simplemente no tenemos los recursos para hacer una corrección cuántica de errores particularmente útil de la manera habitual ". Entonces, en cambio, los investigadores encontraron una forma de enfocar la corrección de errores de manera muy limitada a los tipos específicos de ruido que eran más frecuentes.

El sistema cuántico con el que están trabajando consiste en núcleos de carbono cerca de un tipo particular de defecto en un cristal de diamante llamado centro de vacantes de nitrógeno. Estos defectos se comportan como electrones individuales aislados, y su presencia permite el control de los núcleos de carbono cercanos.

Pero el equipo descubrió que la abrumadora mayoría del ruido que afecta a estos núcleos proviene de una sola fuente: fluctuaciones aleatorias en los defectos cercanos. Esta fuente de ruido se puede modelar con precisión, y la supresión de sus efectos podría tener un impacto importante, ya que otras fuentes de ruido son relativamente insignificantes.

"En realidad entendemos bastante bien la principal fuente de ruido en estos sistemas", dice Layden. "Así que no tenemos que lanzar una red amplia para atrapar todo tipo de ruido hipotético".

El equipo ideó una estrategia de corrección de errores diferente, diseñada para contrarrestar esta fuente de ruido dominante y particular. Como Layden lo describe, el ruido proviene de "este defecto central, o este ‘electrón‘ central, que tiene una tendencia a saltar al azar. Se pone nervioso.

Esa inquietud, a su vez, la sienten todos los núcleos cercanos, de una manera predecible que puede corregirse.

"El resultado de nuestro enfoque es que somos capaces de obtener un nivel fijo de protección utilizando muchos menos recursos de los que de otra forma serían necesarios", dice. "Podemos utilizar un sistema mucho más pequeño con este enfoque específico".

El trabajo hasta ahora es teórico, y el equipo está trabajando activamente en una demostración de laboratorio de este principio en acción. Si funciona como se espera, esto podría constituir un componente importante de las futuras tecnologías cuánticas de diversos tipos, dicen los investigadores, incluidas las computadoras cuánticas que podrían resolver problemas que antes no se podían resolver, o los sistemas de comunicaciones cuánticas que podrían ser inmunes a la indagación Sistemas de sensores altamente sensibles.

"Este es un componente que podría usarse de varias maneras", dice Layden. “Es como si estuviéramos desarrollando una parte clave de un motor. Todavía estamos lejos de construir un automóvil completo, pero hemos avanzado en una parte crítica ”.

"La corrección de errores cuánticos es el próximo desafío para el campo", dice Alexandre Blais, profesor de física en la Universidad de Sherbrooke, en Canadá, que no estaba asociado con este trabajo. "La complejidad de los códigos actuales de corrección de errores cuánticos es, sin embargo, desalentadora, ya que requieren una gran cantidad de qubits para codificar de manera sólida la información cuántica".

Blais agrega: "Ahora nos hemos dado cuenta de que aprovechar nuestra comprensión de los dispositivos en los que se debe implementar la corrección de errores cuánticos puede ser muy ventajoso. Este trabajo hace una contribución importante en esta dirección al mostrar que se puede cometer un tipo común de error corregido de una manera mucho más eficiente de lo esperado. Para que las computadoras cuánticas sean prácticas necesitamos más ideas como esta ".

La investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. Y la National Science Foundation.

Escrito por: David L. Chandler | MIT News Office

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