Nuevo enfoque molecular para la computación cuántica

La tecnología detrás de las computadoras cuánticas del futuro se está desarrollando rápidamente, con varios enfoques diferentes en marcha.

Muchas de las estrategias o “planos” de los computadores cuánticos se basan en átomos o circuitos eléctricos artificiales similares a los átomos.

En un nuevo estudio teórico publicado en la revista Physical Review X, un grupo de físicos de Caltech demuestra los beneficios de un enfoque menos estudiado que no se basa en los átomos sino en las moléculas.

“En el mundo cuántico, tenemos varios planos sobre la mesa y estamos mejorando simultáneamente todos ellos“, dice el autor principal Victor Albert, becario postdoctoral en Física Teórica.

“La gente ha estado pensando en usar moléculas para codificar información desde 2001, pero ahora estamos mostrando cómo las moléculas, que son más complejas que los átomos, podrían conducir a menos errores en la computación cuántica“.

En el corazón de los computadores cuánticos están lo que se conoce como qubits.

Estos son similares a los bits de los computadores clásicos, pero a diferencia de los bits clásicos pueden experimentar un extraño fenómeno conocido como superposición en el que existen en dos estados o más a la vez.

Como el famoso experimento del gato de Schrödinger, que describe un gato que está vivo y muerto al mismo tiempo, las partículas pueden existir en múltiples estados a la vez.

El fenómeno de la superposición está en el corazón de la computación cuántica: el hecho de que los qubits puedan adoptar muchas formas simultáneamente significa que tienen exponencialmente más potencia de cálculo que los bits clásicos.

Pero el estado de superposición es delicado, ya que los qubits son propensos a colapsar fuera de sus estados deseados, y esto conduce a errores de computación.

“En la computación clásica, hay que preocuparse por el volteo de los bits, en el que un bit de ‘1’ pasa a un ‘0’ o viceversa, lo que provoca errores“, dice Albert.

“Esto es como lanzar una moneda, y es difícil de hacer.

Pero en la computación cuántica, la información se almacena en frágiles superposiciones, e incluso el equivalente cuántico de una ráfaga de viento puede conducir a errores“.

Sin embargo, si una plataforma de computación cuántica utiliza qubits hechos de moléculas, los investigadores dicen que es más probable que este tipo de errores se eviten en comparación a otras plataformas cuánticas.

Un concepto detrás de la nueva investigación proviene del trabajo realizado hace casi 20 años por los investigadores de Caltech John Preskill y Alexei Kitaev, junto con su colega Daniel Gottesman del Instituto Perimetral de Ontario, Canadá.

En aquel entonces, los científicos propusieron un sistema que proporcionaría un camino alrededor de un fenómeno llamado principio de incertidumbre de Heisenberg, que fue introducido en 1927 por el físico alemán Werner Heisenberg.

El principio establece que no se puede saber simultáneamente con muy alta precisión dónde está una partícula y hacia dónde se dirige.

El principio de incertidumbre es un desafío para las computadoras cuánticas porque implica que los estados cuánticos de los qubits no pueden conocerse lo suficiente para determinar si se han producido errores o no.

Sin embargo, Gottesman, Kitaev y Preskill descubrieron que aunque la posición y el momento exactos de una partícula no podían ser medidos, era posible detectar cambios muy pequeños en su posición y momento.

Estos desplazamientos podían revelar que se había producido un error, haciendo posible que el sistema volviera al estado correcto.

Este esquema de corrección de errores, conocido como GKP por sus descubridores, se ha implementado recientemente en dispositivos de circuitos superconductores.

“Los errores están bien, pero solo si sabemos que ocurren“, dice Preskill, coautor del artículo de Physical Review X y también coordinador científico de un nuevo centro científico financiado por el Departamento de Energía llamado Acelerador de Sistemas Cuánticos.

“El objetivo de la corrección de errores es maximizar la cantidad de conocimiento que tenemos sobre los errores potenciales“.

En el nuevo artículo, este concepto se aplica a moléculas giratorias en superposición.

Si la orientación o el momento angular de la molécula se desplazan en una pequeña cantidad, esos desplazamientos pueden ser corregidos simultáneamente.

“Queremos seguir la información cuántica a medida que evoluciona bajo el ruido“, dice Albert.

“El ruido nos está molestando un poco.

Pero si tenemos una superposición cuidadosamente elegida de los estados de las moléculas, podemos medir tanto la orientación como el momento angular siempre que sean lo suficientemente pequeños.

Y entonces podemos influir en el sistema para compensarlo“.

Jacob Covey, coautor del artículo y ex becario postdoctoral de Caltech que recientemente se unió a la facultad de la Universidad de Illinois, dice que podría ser posible llegar a controlar individualmente las moléculas para su uso en sistemas de información cuántica como estos.

Él y su equipo han hecho progresos en el uso de rayos láser ópticos, o “pinzas”, para controlar átomos neutros individuales (los átomos neutros son otra plataforma prometedora para los sistemas de información cuántica).

“El atractivo de las moléculas es que son estructuras muy complejas que pueden estar muy densamente empaquetadas“, dice Covey.

“Si podemos averiguar cómo utilizar las moléculas en la computación cuántica, podemos codificar la información de forma robusta y mejorar la eficiencia en la que los qubits están empaquetados“.

Fuente: Noticias de la Ciencia