Decoherencia cuántica

Por lo que hemos ido contando en meses anteriores puede parecer que la computación cuántica no tiene problemas. Los tiene y muy difíciles de resolver. Tres de ellos son los siguientes:

Lectura de resultados: El fenómeno del entrelazamiento le da a la computación cuántica un valor enorme, pues gracias a él se pueden realizar simultáneamente un número elevadísimo de cálculos. Sin embargo, cuando hacemos una lectura nos quedamos con uno de los resultados y el sistema colapsa perdiendo todo lo demás. Esto tiene solución, pero las soluciones que se van encontrando requieren aumentar el número de cúbits, lo que en computación cuántica siempre es complicado. Al medir un cúbit la medida será siempre un 1 o un 0, y si medimos dos cúbits será una de sus posibilidades, a|00>+b|01>+c|10>+d|11>, donde los coeficientes al cuadrado nos dan la probabilidad de que salga cualquiera de ellos o una superposición de todos. Los sistemas de medida pueden ser muy variados. En un post que ya vimos anteriormente (Construir un cúbit), las medidas de los estados |0> y |1> correspondían a dos frecuencias f₁ y f₂ de un circuito RC que formaba parte del propio cúbit.

Decoherencia: Los sistemas cuánticos son muy sensibles a cualquier observación de personas, medioambiental o derivada de una medida, y tienen que estar muy bien protegidos contra posibles perturbaciones que puedan dar lugar a una pérdida de la superposición. Esta pérdida de la superposición se llama decoherencia, y, como en el caso anterior, se encuentran soluciones pero a base de aumentar el número de cúbits. El profesor de física teórica de la universidad de Nueva York, Michio Kaku nos habla de la decoherencia de esta forma: «La más mínima vibración o ruido puede perturbar la delicada danza de los átomos en un ordenador cuántico«. Un ordenador cuántico puede perder la coherencia en unas fracciones de segundo, por lo que hay que hacer el trabajo que se desee en ese período de tiempo. Hace unos meses IBM ha anunciado un «período de supervivencia» de 1400 s. Si con este término se refiere al tiempo durante el cual se mantiene la coherencia el avance es descomunal.

Errores: Durante el funcionamiento de un ordenador cuántico pueden producirse errores que tienen que ser detectados y corregidos. Puede ocurrir, por ejemplo, que un cúbit salte del estado |1> al estado |0>, o al revés, de forma indebida. La auto-corrección de errores es un capítulo imprescindible en el sideño de un ordenador cuántico. Esto mismo es lo que ocurre en el cuerpo humano, que tiene que ir corrigiendo de forma automática todos los errores que se van produciendo en la reproducción celular.

Veamos por donde van las soluciones a todo esto. Una de ellas es minimizar la contaminación procedente del mundo exterior trabajando en criostatos que funcionen próximos a la temperatura de cero grados absolutos, 0ªK, donde las vibraciones no deseadas son casi inexistentes. Esto exige la utilización de bombas y conductores especiales muy caros, lo mismo que resulta muy caro lograr el enfriamiento a esas temperaturas. Como esto es así, resulta muy sorprendente que en la naturaleza existan fenómenos cuánticos a temperaturas ambiente normales, como algunos que se dan en la fotosíntesis, en la orientación de las aves migratorias y ahora, dicen algunos científicos, que también en el cerebro.

Otra solución podría ser la de duplicar o triplicar la información de cada cúbit como se hace en la computación clásica con los bits, pero esto es imposible, porque, según establece el teorema de la no clonación, la información de un cúbit no se puede copiar. También existe la posibilidad de aislar cada uno de los cúbits de manera que no puedan ser perturbados por nada. Esta solución sería ideal pero está limitada a ordenadores de muy pocos cúbits, pues de lo contrario resulta casi imposible de aplicar.

Una opción que se utiliza es la de repartir la información de un cúbit en un estado altamente entrelazado de varios cúbits, lo que se puede hacer tomando dos cúbits en estado cero y enlazándolos con el que se quiere proteger utilizando las puertas lógicas adecuadas. De esta forma, el cúbit principal trabaja arropado por varios cúbits auxiliares que lo protegen.

Existen varias técnicas de corrección de errores que se basan en lo que se llama “medida de síndromes”- Esta técnica consiste en detectar si un cúbit ha sido afectado, recogiendo también toda la información posible sobre el error que se ha producido. Entre los códigos de detección de errores más conocidos se pueden mencionar los siguientes:

Código de detección de inversión de un cúbit que haya podido saltar del estado 0 al estado 1 o viceversa. ¿Cómo funcionan estos códigos? Como sabemos, los estados cuánticos tienen carácter vectorial. De hecho, el producto escalar de dos estados cuánticos es algo que se hace con frecuencia. Todos recordamos que este producto vale cero cuando los vectores son ortogonales y uno cuando siendo unitarios son paralelos. Pues bien, para detectar la inversión de un cúbit se mantiene en paralelo arropado por otros cuyos productos escalares valen todos cero. Y si en un momento determinado se produce la inversión de uno de los cúbits, el producto correspondiente salta de cero a uno y así queda detectada la inversión. Otros códigos similares se utilizan para detectar la inversión de un signo, lo que ocurre cuando se ha producido un salto del estado 0+1 al estado 0-1, o al revés. Un código especial es el llamado código de Shor que se utiliza para detectar un cambio de estado, un cambio de signo o ambos.

En el Departamento de Física Teórica de la Universidad Complutense de Madrid, en colaboración con un laboratorio de Innsbruck, han desarrollado un nuevo método de corrección de errores. El código usado se basaba en utilizar siete átomos de manera controlada para almacenar un único bit cuántico. Así, no sólo han logrado detectar los errores, sino también llevar a cabo pasos computacionales básicos, e incluso ejecutar secuencias de cómputo más largas por cada bit cuántico codificado de esta forma. Aunque este experimento es de naturaleza académica, sin duda abre nuevas perspectivas para futuros desarrollos tecnológicos.

Hace unos meses Goggle publicó como novedad que había desarrollado un sistema nuevo para la detección y control de errores. Es evidente que para trabajar en aplicaciones reales se necesita que los cúbits mantengan unas tasas de error muy por debajo de las actuales, lo cual es muy complicado si se tiene en cuenta que incluso la luz parásita o no deseada puede provocar un error de cálculo. En lugar de trabajar con los cúbits físicos de un procesador cuántico de uno en uno, lo que han hecho en Google, según su propia declaración, es tratar un grupo de 49 cúbits físicos como si fuera un único cúbit lógico. En general se llama cúbit lógico a un grupo de cúbits físicos cuya finalidad es proporcionar estabilidad y corregir errores. Este cúbit lógico funciona con un algoritmo cuántico que ellos mismos han desarrollado. Lo que Google nos vende aquí es cómo han conseguido corregir errores desarrollando algoritmos adecuados para el funcionamiento de estos paquetes de 49 cúbits. Vemos cómo estos desarrollos aumentan considerablemente el número de cúbits de los ordenadores cuánticos.

En un artículo publicado en la revista ArXiv de la Universidad de Cornell (Ithaca, NY), los investigadores aseguran haber logrado tasas de fallos por debajo del umbral crítico necesario para una corrección efectiva de errores cuánticos. Este logro marca un paso crítico hacia la computación cuántica escalable y tolerante a fallos.