Investigadores de ETH Zurich han desarrollado un método novedoso para realizar operaciones cuánticas que reduce significativamente las tasas de error en computadoras cuánticas de átomos neutros. Al aprovechar un fenómeno físico conocido como fase geométrica, este nuevo enfoque crea puertas de intercambio que son mucho más estables que los métodos tradicionales, acercando la tecnología a una utilidad práctica a gran escala.
Los hallazgos, publicados el 8 de abril en la revista Nature, abordan uno de los cuellos de botella más persistentes en la computación cuántica: la extrema susceptibilidad de los qubits a errores causados por el ruido ambiental y las imperfecciones del hardware.
El problema: la fragilidad ante el ruido
Las computadoras cuánticas obtienen su poder de los qubits, que pueden existir en una superposición de estados (0 y 1 simultáneamente). Para realizar cálculos, estos sistemas utilizan puertas lógicas para manipular qubits. Un componente crítico es la puerta de intercambio, que intercambia los estados de dos qubits, lo que permite que la información se enrute a través del procesador.
Sin embargo, los métodos actuales para crear puertas de intercambio en sistemas de átomos neutros son muy sensibles. Estos sistemas suelen utilizar láseres para suspender átomos neutros (como el potasio) en su lugar, formando una red óptica. Las puertas de intercambio tradicionales se basan en:
* Estados electrónicos muy excitados.
* Colisiones atómicas.
* El efecto túnel cuántico.
Estas técnicas dependen en gran medida de la sincronización y la intensidad precisas de los láseres. Incluso las fluctuaciones microscópicas en la potencia o la sincronización del láser pueden introducir errores y provocar que la puerta falle. Esta sensibilidad contribuye a la alta tasa de error de los bits cuánticos actuales (aproximadamente 1 en 1.000 ) en comparación con la tasa de error 1 en 1 billón de los bits de silicio convencionales. Esta discrepancia impide que las computadoras cuánticas crezcan y superen a las supercomputadoras clásicas.
La solución: geometría sobre el tiempo
El equipo de ETH Zurich, dirigido por el investigador postdoctoral Yann Hendrick Kiefer, evitó estas vulnerabilidades utilizando la fase geométrica.
A diferencia de las puertas “dinámicas” convencionales, que dependen del control exacto sobre los niveles de energía, la sincronización y la intensidad del láser, las puertas geométricas dependen del camino que toma el sistema cuántico a través de su espacio de estados.
“La manipulación de esta función de onda introduce generalmente una fase en la función de onda, que puede ser de origen dinámico o geométrico”, explica Kiefer. “El enfoque geométrico funciona de manera diferente: en lugar de depender del momento exacto o de la fuerza, depende principalmente de la trayectoria general que sigue el sistema de principio a fin”.
En esta configuración, decenas de miles de átomos de potasio se enfrían hasta casi el cero absoluto y se mantienen en su lugar mediante rayos láser que se cruzan. Cuando dos átomos se acercan lo suficiente como para que sus ondas cuánticas se superpongan, su estado combinado cambia basándose únicamente en la geometría de su movimiento. Debido a que este cambio es independiente de la rapidez con la que se mueven los átomos o de la intensidad de los láseres, la operación es naturalmente robusta frente al ruido experimental.
Precisión y escala sin precedentes
Las implicaciones prácticas de este método son significativas. El equipo de investigación demostró una puerta de intercambio con las siguientes métricas de rendimiento:
* Precisión: Mejor que 99,91%.
* Velocidad: Funciona en menos de un milisegundo.
* Escala: Aplicado con éxito en 17 000 pares de qubits simultáneamente.
Si bien los sistemas superconductores o de iones atrapados pueden alcanzar velocidades de compuerta más rápidas (submicrosegundos), normalmente operan solo con un puñado de pares de qubits a la vez. El método ETH Zurich ofrece una combinación única de alta fidelidad y paralelismo masivo, esencial para construir procesadores cuánticos a gran escala.
Implicaciones para el futuro de la computación cuántica
El estudio también confirmó la creación de puertas de “medio intercambio”, que son vitales para ejecutar algoritmos cuánticos complejos. A diferencia de un intercambio completo, que simplemente mueve información, un intercambio parcial intercambia estados parcialmente mientras crea un entrelazamiento, la correlación única entre qubits que otorga a las computadoras cuánticas su poder de procesamiento exponencial.
Este avance desafía las suposiciones anteriores sobre los recursos necesarios para la computación cuántica práctica. Históricamente, se creía que se necesitarían millones de qubits para ejecutar algoritmos como el algoritmo de Sho, que puede factorizar grandes números y romper el cifrado moderno. Sin embargo, estudios recientes sugieren que con puertas de mayor fidelidad como las desarrolladas por ETH Zurich, estos problemas podrían resolverse con tan solo 10.000 qubits.
Conclusión
Si bien aún es un trabajo en progreso el desarrollo de una computadora cuántica práctica y tolerante a fallas, este enfoque geométrico marca un paso adelante crítico. Al desacoplar las operaciones cuánticas del ruido del control láser, los investigadores han creado un camino hacia sistemas más estables y escalables, convirtiendo poco a poco en realidad el sueño de una potente computación cuántica.
