Towards quantum error correction with two-body gates for quantum registers based on nitrogen-vacancy centers in diamond

En la búsqueda de la construcción de una máquina capaz de resolver problemas que están fuera del alcance de las supercomputadoras actuales, los científicos están mirando hacia los bloques de construcción más pequeños de la naturaleza: los átomos individuales y las partículas dentro de ellos. Estos sistemas diminutos, conocidos como cúbits, pueden existir en múltiples estados a la vez, ofreciendo un salto potencial en la potencia de cálculo. Sin embargo, estos estados frágiles se ven fácilmente perturbados por el más mínimo toque de calor o vibración de su entorno, lo que provoca que la información que contienen se desvanezca antes de que pueda terminarse un cálculo. Para superar esto, los investigadores están explorando un tipo específico de defecto encontrado en los diamantes, donde un átomo de carbono ausente es reemplazado por un átomo de nitrógeno. Este "centro de vacante de nitrógeno" actúa como un ancla estable para la información cuántica, rodeado de átomos de carbono cercanos que poseen sus propios espines magnéticos. Estos espines circundantes pueden servir como unidades de almacenamiento adicionales, creando un pequeño registro cuántico. El desafío radica en conectar estas unidades sin perturbar la delicada información que contienen, lo que requiere un método para realizar operaciones precisas que sean lo suficientemente rápidas como para terminar antes de que el entorno arruine los datos, pero lo suficientemente suaves como para evitar introducir nuevos errores.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Ulm ha desarrollado una nueva forma de gestionar este delicado equilibrio, creando un método para realizar conexiones de alta calidad entre el defecto central del diamante y sus átomos de carbono vecinos. En su trabajo, se centraron en un tipo específico de operación llamada puerta de dos cuerpos, que permite que el espín del electrón central interactúe con un espín nuclear seleccionado mientras ignora los otros cercanos. La dificultad en esta tarea es que los átomos de carbono en el diamante están tan cerca unos de otros que sus firmas magnéticas se superponen, lo que dificulta la selección de uno solo para trabajar con él. Los métodos tradicionales para aislar un solo átomo requieren secuencias largas de pulsos de control, pero cuanto más larga es la secuencia, más probable es que el sistema pierda su estado cuántico debido al ruido ambiental. Los investigadores encontraron una forma de acortar estas secuencias sin sacrificar la precisión mediante el uso de una técnica llamada desacoplamiento dinámico adaptativo. Este enfoque implica ajustar cuidadosamente el tiempo y el espaciamiento de los pulsos de microondas para dar forma a la interacción, filtrando eficazmente las señales no deseadas y agudizando el enfoque en el átulo específico que desean controlar.

El equipo demostró que, al ajustar estas secuencias de pulsos, podían encontrar un "punto ideal" en el tiempo donde la operación es tanto rápida como altamente precisa. Mostraron que es posible lograr un nivel de precisión donde la probabilidad de un error es menor a uno en mil, un umbral necesario para una computación cuántica fiable. Esto se logró explotando el hecho de que ciertos errores en el sistema se cancelan naturalmente a sí mismos en momentos específicos de tiempo. Al elegir el momento exacto para detener la operación, los investigadores pudieron eliminar estos errores sin necesidad de ejecutar la secuencia durante una duración excesivamente larga. Este método les permite eludir el compromiso habitual donde las operaciones más rápidas son menos precisas, proporcionando una forma de ejecutar los pasos necesarios para la computación cuántica con una velocidad que mantiene al sistema a salvo de la decoherencia.

Para demostrar que estas puertas optimizadas son útiles para aplicaciones del mundo real, los investigadores las utilizaron para construir un sistema básico de corrección de errores. En esta configuración, el defecto central del diamante y dos espines de carbono cercanos fueron dispuestos para proteger una única pieza de información cuántica de un tipo específico de corrupción conocida como error de fase. Este tipo de error es como un cambio sutil en el tiempo de un reloj que hace que la información se desvíe de su curso. El equipo creó un protocolo donde la información se codifica a través de los tres espines, permitiendo que el sistema detecte si ha ocurrido un desplazamiento y lo corrija automáticamente. Sus simulaciones mostraron que, incluso con las imperfecciones inherentes a las señales de control del mundo real, este sistema podía recuperar la información original más del 98.5 por ciento de las veces, incluso cuando la tasa de error era relativamente alta. Este resultado se mantuvo incluso al tener en cuenta la relajación natural del espín del electrón, un proceso en el que el sistema pierde energía lentamente hacia su entorno, lo cual puede suceder incluso a temperaturas de hasta 77 Kelvin.

La importancia de este trabajo se extiende más allá del éxito inmediato del código de corrección de errores. Los investigadores proporcionaron una herramienta analítica clara que permite a los científicos determinar el tiempo óptimo para estas operaciones sin necesidad de realizar innumerables experimentos de prueba de tiempo para probar cada posibilidad. Esto es crucial a medida que los sistemas cuánticos crecen, porque probar manualmente cada parámetro para un sistema con muchos átomos sería imposible. Al usar su método para predecir la mejor secuencia de parámetros, los investigadores pueden diseñar registros cuánticos más grandes y complejos con confianza. El artículo también señala que, si bien su enfoque actual utiliza patrones de pulsos fijos, las mejoras futuras podrían implicar la variación suave de la fuerza de la interacción a lo largo del tiempo, lo que podría ofrecer un rendimiento aún mejor en entornos congestionados donde muchos átomos están agrupados estrechamente. En última instancia, este trabajo ofrece un camino práctico para construir computadoras cuánticas robustas basadas en defectos de diamante, convirtiendo una posibilidad teórica en una realidad de ingeniería tangible.