Un nuevo estudio apunta a un camino hacia una corrección de errores más eficiente, que podría contribuir a que las computadoras y los sensores cuánticos sean más prácticos.
Laboratorios de todo el mundo compiten por desarrollar nuevos dispositivos de computación y detección que funcionan según los principios de la mecánica cuántica y que podrían ofrecer ventajas notables frente a sus equivalentes clásicos. Sin embargo, estas tecnologías aún afrontan varios desafíos, y uno de los más significativos es cómo lidiar con el “ruido”, es decir, las fluctuaciones aleatorias que pueden borrar los datos almacenados en estos dispositivos.
Un nuevo enfoque desarrollado por investigadores del MIT podría suponer un avance significativo en la corrección de errores cuánticos. El método consiste en ajustar finamente el sistema para abordar los tipos de ruido más probables, en lugar de intentar captar, con una red amplia, todas las posibles fuentes de perturbación.
El análisis se describe en la revista Physical Review Letters, en un artículo del estudiante de posgrado del MIT David Layden, el posdoctorado Mo Chen y la profesora de ciencia e ingeniería nuclear Paola Cappellaro.
“Los principales problemas a los que nos enfrentamos ahora en el desarrollo de tecnologías cuánticas son que los sistemas actuales son pequeños y ruidosos”, afirma Layden. El ruido, entendido como cualquier perturbación no deseada, es especialmente problemático porque muchos sistemas cuánticos son inherentemente muy sensibles, una característica que subyace a algunas de sus posibles aplicaciones.
Y hay otro problema, según Layden, y es que los sistemas cuánticos se ven afectados por cualquier observación. Así, mientras que es posible detectar que un sistema clásico se desvía y aplicar una corrección para devolverlo a su posición, en el mundo cuántico las cosas son más complicadas. “Lo realmente complicado de los sistemas cuánticos es que, al observarlos, tienden a colapsar”, afirma.
Los esquemas clásicos de corrección de errores se basan en la redundancia. Por ejemplo, en un sistema de comunicación sujeto a ruido, en lugar de enviar un único bit (1 o 0), se podrían enviar tres copias de cada uno (111 o 000). Luego, si los tres bits no coinciden, eso indica que hubo un error. Cuantas más copias de cada bit se envíen, más eficaz puede ser la corrección de errores.
El mismo principio esencial podría aplicarse para añadir redundancia en los bits cuánticos, o “qubits”. Pero, según Layden, “si quiero tener un alto grado de protección, necesito dedicar una gran parte de mi sistema a realizar este tipo de comprobaciones. Y eso no es viable en este momento, porque tenemos sistemas bastante pequeños; simplemente no disponemos de los recursos para realizar una corrección de errores cuánticos particularmente útil de la forma habitual”. Así, los investigadores encontraron la manera de dirigir la corrección de errores de forma muy específica hacia los tipos concretos de ruido más frecuentes.
El sistema cuántico con el que trabajan consta de núcleos de carbono cerca de un tipo particular de defecto en un cristal de diamante llamado centro de vacante de nitrógeno. Estos defectos se comportan como electrones individuales y aislados, y su presencia permite controlar los núcleos de carbono cercanos.
Pero el equipo descubrió que la gran mayoría del ruido que afecta a estos núcleos procedía de una única fuente: las fluctuaciones aleatorias de los propios defectos cercanos. Esta fuente de ruido puede modelarse con precisión, y suprimir sus efectos podría tener un gran impacto, ya que las demás fuentes de ruido son relativamente insignificantes.
“En realidad entendemos bastante bien la principal fuente de ruido en estos sistemas”, afirma Layden. “Así que no tenemos que extender una red amplia para atrapar cada tipo hipotético de ruido”.
El equipo ideó una estrategia de corrección de errores distinta, diseñada para contrarrestar esta fuente dominante y concreta de ruido. Tal como la describe Layden, el ruido proviene de “este defecto central, o este ‘electrón’ central, que tiene tendencia a saltar aleatoriamente de un lado a otro. Tiembla”.
Ese temblor, a su vez, lo perciben todos los núcleos cercanos, de una forma predecible que puede corregirse.
“El resultado de nuestro enfoque es que logramos un nivel fijo de protección con muchos menos recursos de los que se necesitarían de otro modo”, afirma. “Podemos usar un sistema mucho más pequeño con este enfoque dirigido”.
El trabajo realizado hasta ahora es teórico, y el equipo trabaja 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, según los investigadores, incluidas las computadoras cuánticas que podrían resolver problemas hasta ahora irresolubles, los sistemas de comunicaciones cuánticas que podrían ser inmunes a las escuchas, o los sistemas de sensores de alta sensibilidad.
“Este es un componente que podría utilizarse de muchas maneras”, afirma Layden. “Es como si estuviéramos desarrollando una pieza clave de un motor. Todavía nos queda camino para construir un coche completo, pero hemos avanzado en una parte crítica”.
“La corrección de errores cuánticos es el siguiente desafío para el campo”, afirma Alexandre Blais, profesor de física de la Universidad de Sherbrooke, en Canadá, que no participó en este trabajo. “Sin embargo, la complejidad de los códigos actuales de corrección de errores cuánticos es abrumadora, ya que requieren un número muy elevado de qubits para codificar de forma robusta la información cuántica.”
Blais añade: “Ahora hemos llegado a comprender que aprovechar nuestro conocimiento de los dispositivos en los que se va a implementar la corrección de errores cuánticos puede resultar muy ventajoso. Este trabajo hace una contribución importante en esta dirección al demostrar que un tipo común de error puede corregirse de una manera mucho más eficiente de lo esperado. Para que las computadoras cuánticas sean prácticas necesitamos más ideas como esta.”
La investigación contó con el respaldo de la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. y de la Fundación Nacional de Ciencias.
