Computación cuántica: frágil y sin embargo libre de errores

Es inevitable que los ordenadores sufran errores. Pequeñas perturbaciones pueden modificar la información y falsear el resultado del cálculo. Por ello, en los ordenadores que utilizamos hoy en día se utilizan procedimientos específicos con los cuales continuamente se pueden detectar y corregir errores. Un futuro ordenador cuántico también necesitará una corrección de errores, como explica nuestro colega Thomas Monz, miembro del grupo de investigación de Rainer Blatt en el Instituto de Física Experimental de la Universidad de Innsbruck: "Los fenómenos de la física cuántica son muy frágiles y susceptibles a perturbaciones, y los errores se pueden propagar rápidamente y desestabilizar un ordenador". Nuestros resultados van a ser publicados en breve en la revista Science.

En nuestro grupo en el Departamento de Física Teórica I de la Universidad Complutense de Madrid, junto con nuestros colegas austríacos, hemos desarrollado y comprobado en el laboratorio en Innsbruck un nuevo método de corrección de errores. El problema principal al que nos hemos enfrentado es que un bit cuántico no sólo es muy complejo y no puede ser copiado. Además, los errores en el mundo cuántico son más variados y difíciles de combatir que en los ordenadores de hoy en día. Por ello, para poder detectar y corregir errores en un ordenador cuántico necesitamos recurrir a sofisticados códigos cuánticos de corrección de errores. El código usado en el experimento actual fue propuesto y desarrollado aquí en nuestro grupo en Madrid. En este código distribuimos los bits cuánticos en una red bidimensional en la que éstos pueden interactuar con las partículas vecinas.

Un bit cuántico repartido

En el laboratorio de la Universidad de Innsbruck, nuestros colegas experimentales utilizan una trampa de iones en la que atrapan siete átomos de calcio.

Éstos, mediante láseres, se enfrían hasta casi alcanzar el punto cero de temperatura, y pueden ser controlados con alta precisión. Nos sirven para almacenar 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.

La codificación la conseguimos en tres pasos, en cada uno de los cuales aplicamos una secuencia compleja de pulsos de láser para entrelazar grupos de cuatro bits cuánticos vecinos. Con esto hemos conseguido por primera vez utilizar siete átomos de manera controlada para almacenar un único bit cuántico. Estamos muy contentos, porque para lograr este reto empezamos a trabajar en este proyecto ya en el año 2011, después de que uno de nosotros (Markus Müller) se trasladó de Innsbruck a la Universidad Complutense de Madrid, y teníamos que superar una serie de obstáculos teóricos, experimentales y técnológicos. Finalmente, estos átomos, entrelazados de esta forma específica, proporcionan suficiente información para sucesivas correcciones de errores y computaciones cuánticas.

Computación sin errores

En el siguiente paso, comprobamos en el laboratorio 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", cuenta nuestro colega 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 experimental de Nigg. No sólo logramos detectar los errores; por primera vez también consigumos 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 requiren 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. Lo consideramos un importante avance hacia el desarrollo de un ordenador cuántico viable y tolerante a errores.

Una base para futuros desarrollos

La línea desarrollada en nuestra colaboración española-austríaca constituye una base prometedora para futuras investigaciones. De hecho, el modelo de los siete átomos, que hemos empleado para el almacenamiento de un bit cuántico lógico, nos puede servir como módulo fundamental para sistemas cuánticos mucho más grandes: 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 los errores. Desde el punto de vista de Rainer Blatt, 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, preguntas en las que Rainer Blatt y su grupo ya están pensando y trabajando. Junto con ellos, ya estamos trabajando en diversas mejoras de los códigos cuánticos empleados, y en su optimización para computaciones cuánticas aun más extensas.