Los ordenadores cuánticos, sistemas que realizan cálculos aprovechando los efectos de la mecánica cuántica, prometen superar a los ordenadores clásicos en ciertas tareas de optimización y procesamiento de información. Sin embargo, estos sistemas son altamente susceptibles al ruido, lo que requiere la implementación de estrategias para minimizar los errores que generan.
Una de las soluciones propuestas para habilitar la computación cuántica tolerante a fallos es la destilación de estados mágicos. Este enfoque consiste en preparar estados cuánticos especiales (es decir, estados mágicos) que pueden ser utilizados para ejecutar un conjunto universal de operaciones. De este modo, se permite la construcción de un ordenador cuántico universal, un dispositivo capaz de llevar a cabo de manera fiable todas las operaciones necesarias para implementar cualquier algoritmo cuántico.
A pesar de que las técnicas de destilación de estados mágicos pueden lograr buenos resultados, típicamente requieren un gran número de qubits protegidos contra errores y la realización de múltiples rondas de corrección de errores. Esta necesidad ha limitado hasta ahora su potencial para aplicaciones en el mundo real.
Protocolo de destilación desplegada: una alternativa prometedora
Investigadores de Alice & Bob y de PSL University CNRS, Inria, han introducido la destilación desplegada, un protocolo alternativo que reduce los recursos necesarios para preparar estados mágicos. Este nuevo protocolo, descrito en un artículo publicado en el servidor de preprints arXiv, ha demostrado permitir la preparación de estados mágicos con menos qubits y operaciones, siempre que los qubits presenten un sesgo en el ruido.
Diego Ruiz, autor del artículo y estudiante de doctorado en Alice & Bob, explicó que el objetivo principal era determinar hasta qué punto se podía reducir el costo de la preparación de estados mágicos para una arquitectura de qubits con sesgo en el ruido. «Los estados mágicos son una parte crucial de la computación cuántica, ya que nos permiten implementar todas las puertas necesarias para realizar cualquier algoritmo cuántico», afirmó Ruiz. Aunque se sabe que los qubits con sesgo en el ruido, como los qubits gato, podrían reducir enormemente el costo de la memoria cuántica, su impacto en la computación cuántica con estados mágicos era menos claro.
En muchos estudios anteriores, la preparación de estados mágicos ha demostrado ser el aspecto más intensivo en recursos de la computación cuántica. Los qubits con sesgo en el ruido están diseñados para mejorar la eficiencia del hardware al suprimir un tipo de error cuántico, como los giros de bits en el caso de los qubits gato de Alice & Bob. El objetivo clave del trabajo reciente de Ruiz y sus colegas fue diseñar un esquema que aproveche el sesgo de ruido de un sistema cuántico para reducir la sobrecarga en la preparación de estados mágicos, que también pudiera aplicarse en entornos prácticos utilizando disposiciones de qubits en 2D y tasas de error realistas.
El código de corrección de errores empleado por la mayoría de las técnicas de destilación de estados mágicos es el denominado código Reed-Muller. Este código fue diseñado originalmente para sistemas de computación clásicos, pero luego fue adaptado para la corrección de errores cuánticos. Ruiz comentó que «el código Reed-Muller requiere una arquitectura 3D para qubits sin sesgo de ruido, lo que resulta muy desafiante de implementar en la práctica». Sin embargo, este código se puede desplegar en 2D cuando se trabaja con qubits que tienen sesgo de ruido, como los que utiliza Alice & Bob. Por ejemplo, este despliegue permite preparar estados mágicos de alta fidelidad con solo unos 53 qubits y alrededor de 5.5 rondas de corrección de errores en un contexto de alto sesgo de ruido.
Al simular su protocolo propuesto, los investigadores encontraron que alcanzó una tasa de error lógico de aproximadamente 10⁻⁷ utilizando más de un orden de magnitud menos de ciclos de qubit que los esquemas más avanzados para qubits con ruido sesgado y sin sesgo. Es notable que el protocolo también funciona con puertas de dos qubits organizadas en una configuración en 2D, lo que significa que es compatible con las arquitecturas de hardware actuales, como las basadas en qubits superconductores y qubits gato.
En el futuro, el protocolo de destilación desplegada podría ayudar a reducir el tamaño y el costo de los sistemas necesarios para preparar estados mágicos. Esto, a su vez, podría mejorar el rendimiento y la fiabilidad de los sistemas de computación cuántica. Ruiz añadió que «nuestro protocolo nos acerca a una computación cuántica tolerante a fallos eficiente en hardware para plataformas como los qubits gato superconductores». Varias direcciones son interesantes para explorar a continuación. Una es llevar el esquema a fidelidades aún más altas aumentando la distancia del código, para que pueda ser utilizado de forma independiente sin concatenación con los protocolos de destilación habituales. Otra podría ser preparar estados mágicos para implementar la puerta Toffoli directamente, que resulta muy útil en algunos algoritmos.
