Manipular estados cuánticos en un chip superconductor enfriado a una fracción de grado por encima del cero absoluto en la parte inferior de un refrigerador criogénico es increíblemente desafiante. Y las cosas no siempre salen según lo planeado. Ocurren errores. Muchos errores. Se requieren estrategias sofisticadas para extraer cálculos confiables de lo que de otro modo serían tantos bits de salida aleatorios. El éxito solo es posible si los errores no son demasiado comunes.
Hoy, Google Quantum AI anunció la fabricación de un chip cuántico donde los errores no son abrumadoramente comunes. Utiliza el código de superficie, que es básicamente un parche cuadrado de qubits físicos acoplados al vecino más cercano que trabajan juntos para formar un solo qubit lógico más confiable. A medida que el parche cuadrado se hace más grande, un qubit lógico debería volverse más confiable, y eso es exactamente lo que demostramos: un chip con qubits lógicos que supera un factor de dos más confiable con cada aumento en el tamaño del parche.
Pero ¿por qué es necesario esto? ¿Qué son los errores cuánticos y cómo se corrigen?
Aquí daremos una versión corta de las respuestas. Si quieres más que una breve descripción general, puedes ir directamente al curso práctico de corrección de errores cuánticos, disponible ahora de forma gratuita en Coursera, donde encontrarás una serie de videos y ejercicios para desarrollar tu comprensión. “Este nuevo curso abre la puerta a un dominio complejo para lograr que la corrección de errores cuánticos no solo sea accesible, sino tangible, para millones de estudiantes en todo el mundo”, dice Marni Baker Stein, directora de contenido de Coursera. “Nuestra colaboración con un proyecto pionero de la industria como Google Quantum AI significa otro paso hacia un futuro en el que el conocimiento es la clave para aprovechar el poder de la computación cuántica”.
Comencemos con los errores clásicos. Tenemos un bit. Supongamos que es 0. Pero un rayo cósmico lo golpea y se convierte en 1. Ese es un error de volteo de bits, el único tipo de error en una computadora clásica. En comparación, un chip cuántico no consta de bits, sino de sistemas cuánticos multinivel tan fríos que tienen un terreno discreto bien definido y estados excitados. Escribimos estos estados como |0>, |1>, |2>, etc. Cuando un rayo cósmico golpea un qubit que debería ser |0>, puede producir una superposición a|0> + b|1> + c|2> +... de muchos estados. La ingeniería cuidadosa de nuestro dispositivo logró que nuestros qubits resistan todos los impactos, salvo los más energéticos, lo que nos permite calcular los resultados y simplemente descartar la salida cuando se produce el golpe.
Al calcular, nos esforzamos por usar solo los estados |0> y |1>, pero los errores de control y medición conducen inevitablemente al estado |2+> ocasional, conocido como errores de fuga. Si restablecemos un qubit, se elimina este error, pero también se elimina cualquier dato de ese qubit, por lo que tenemos una puerta especial que mueve los estados superiores de los qubits de datos a un qubit a punto de restablecerse. Esto evita la acumulación de estados |2+> en el equipo.
También existe el problema de que a los datos cuánticos simplemente no les gusta estar mucho tiempo. A los qubits les gusta relajarse. Si usas un estado excitado para representar |1>, después de un corto tiempo se relajará a |0>. También queremos ser capaces de almacenar superposiciones como a|0> + b|1>, y ese “más” puede convertirse espontáneamente en un “menos” o un error de cambio de fase. Las diversas formas en que los qubits pierden datos se denominan colectivamente decoherencia. En general, la decoherencia puede producir un estado completamente diferente al que queremos, pero esta diferencia se puede dividir en una mezcla de volteos de bits y volteos de fase. Para expresarlo brevemente, los llamamos errores X y Z.
Comencemos con una imagen de nuestro chip cuántico.
Esta es una matriz 2D de qubits con solamente las interacciones vecinas más cercanas. Los qubits de datos almacenan nuestro precioso estado cuántico. Los qubits de medición se utilizan para detectar errores X y Z. Una buena manera de entender esto es imaginar cada región azul claro detectando errores Z en los qubits de datos que toca, y cada región azul oscuro detectando errores X. Un error Z en un qubit de datos activa las regiones azul claro vecinas, que lo ubica y nos permiten compensar su presencia en el software. Siempre que la densidad de los errores X y Z sea lo suficientemente baja, el patrón de regiones iluminadas nos dará información clara que nos permitirá encontrar y compensar estos errores.
Si un qubit de medida sufre un error, se puede activar falsamente una región. Para abordar este problema, la búsqueda de errores se repite con la mayor frecuencia posible y la próxima vez que se realice la comprobación habrá una buena probabilidad de que se resuelva. Así, se crea una firma identificable para un error de medición, lo que permite que estos también se procesen en el software. Diseñar algoritmos más sofisticados para manejar la salida de qubits de medida para identificar mejor la ubicación y el tipo de errores es un área de investigación en curso, al tiempo que se mantiene el ritmo de la computadora cuántica.
Los conceptos que incluimos en este artículo son solo la punta del iceberg de la corrección de errores cuánticos y el papel fundamental que desempeña en el avance de la computación cuántica. Para obtener una explicación paso a paso y consultar labs que comienzan desde lo más básico, analizan estados cuánticos y circuitos, e incluyen hasta algunas de las últimas herramientas de corrección de errores utilizadas en la actualidad, ve a Coursera para realizar nuestro curso práctico de corrección de errores cuánticos.
Si te dedicas a la ingeniería de software y siempre quisiste trabajar en un problema cuántico, después de tomar el curso, ve a la sección de herramientas de código abierto de Quantum AI, donde creamos software de código abierto como Cirq, Stim y Crumble para simular circuitos cuánticos y desarrollar técnicas de corrección de errores. Aprende a diseñar algoritmos cuánticos y contribuir al desarrollo de herramientas que permitan la realización de la computación cuántica práctica.
Aquí te mostramos un área de investigación interesante que combina la informática teórica, la ingeniería de software y la física cuántica:
Únete a este grupo para obtener acceso al proyecto TQEC y descubrir por qué esta es una imagen de cálculo cuántico escalable tolerante a errores, tres qubits lógicos abc sometidos a tres puertas NO controladas para producir salidas a'b'c'.