Enhancing dissipative cat qubit protection by squeezing

Construir una computadora que pueda resolver problemas que están fuera del alcance de las máquinas actuales requiere un cambio fundamental en la forma en que almacenamos la información. En el mundo cuántico, la unidad básica de datos es frágil; se perturba fácilmente ante el más mínimo susurro de calor o ruido electromagnético, provocando que el cálculo colapse. Para construir una máquina fiable, los científicos deben encontrar una forma de proteger esta información sin utilizar vastos ejércitos de componentes adicionales para comprobarla y corregirla constantemente. Un enfoque prometedor consiste en codificar los datos no en una sola partícula, sino en el comportamiento colectivo de partículas de luz, o fotones, atrapados dentro de un diminuto circuito eléctrico. Estos "cúbits de gato" (cat qubits) reciben su nombre de un famoso experimento mental que involucra a un gato que está simultáneamente vivo y muerto; en este contexto, el cúbit existe en dos estados distintos a la vez. La genialidad de este diseño es que resiste naturalmente un tipo de error, conocido como inversión de bit (bit-flip), donde el estado cambia accidentalmente de uno al otro. Sin embargo, sigue siendo vulnerable a un tipo diferente de error, una inversión de fase (phase-flip), que desordena la relación entre los dos estados. El desafío siempre ha sido lograr que la protección contra el primer error sea más fuerte sin que el segundo error empeore, un equilibrio que ha sido difícil de alcanzar.

Un equipo de investigadores de Alice & Bob, trabajando con socios de varias instituciones francesas, ha encontrado una forma de inclinar este equilibrio significativamente a su favor. Tomaron el diseño estándar de estos cúbits basados en luz y aplicaron una deformación específica a la forma de los estados de luz que utilizan. Imagine los dos estados de un cúbit estándar como dos nubes de probabilidad redondas y distintas flotando en un espacio matemático. En el nuevo diseño, los investigadores comprimieron estas nubes, estirándolas en formas alargadas que parecen lunas crecientes. Este simple cambio geométrico, logrado mediante la adición de un tipo específico de señal a su equipo existente, permitió que los dos estados estuvieran mucho más separados de una manera que los hace increíblemente difíciles de confundir entre sí, manteniendo al mismo tiempo su estabilidad frente al otro tipo de error.

Los resultados de este experimento fueron sorprendentes. Los investigadores midieron cuánto tiempo tardaba el cúbit en invertir accidentalmente su estado. En una versión estándar y no deformada de este cúbit, el error ocurría aproximadamente cada 138 milisegundos. En su nueva versión de "gato de luna" comprimida, el cúbit mantuvo su estado durante 22 segundos antes de que ocurriera un error similar. Esto representa una mejora de 160 veces en la estabilidad. Crucialmente, esta enorme ganancia no se produjo a costa de un aumento en la vulnerabilidad al otro tipo de error; la tasa a la que el cúbit desordenaba su fase permaneció esencialmente igual, durando unos 1,3 microsegundos en ambos casos. Esto significa que los investigadores lograron que el cúbit fuera mucho más robusto contra un modo de fallo específico sin debilitar su defensa contra el otro.

El equipo también probó qué tan bien se desempeñaban estos nuevos cúbits cuando se les pedía realizar un trabajo, específicamente al ejecutar una puerta lógica, que es una operación básica donde la computadora procesa información. Descubrieron que los cúbits comprimidos no solo mantenían su estado por más tiempo mientras estaban inactivos, sino que también realizaban estas operaciones con mayor velocidad y precisión. Las operaciones de puerta fueron más rápidas y la probabilidad de errores durante el cálculo disminuyó significativamente. Los investigadores observaron que la nueva forma de los estados de luz dificultaba que el sistema se filtrara accidentalmente fuera de su zona segura durante estos movimientos rápidos, reduciendo aún más los errores. Esta mejora fue tan pronunciada que la probabilidad general de un error de inversión de bit durante una operación de puerta se redujo en un factor de 220 en comparación con el diseño estándar.

Lo que hace que este descubrimiento sea particularmente significativo es que no requirió la construcción de una nueva máquina ni el cambio del diseño físico del circuito. Los investigadores utilizaron el mismo chip superconductor y los mismos componentes básicos que en experimentos anteriores. Simplemente añadieron una segunda señal de control, una frecuencia de bombeo específica, a la configuración existente para crear el efecto de compresión. Esto sugiere que el camino hacia computadoras cuánticas más potentes no siempre requiere inventar hardware completamente nuevo, sino encontrar mejores formas de dar forma a la información ya presente en el sistema. Al ajustar cuidadosamente la forma de los estados cuánticos, el equipo demostró que es posible llevar la protección contra errores mucho más allá de lo que se creía alcanzable con los diseños estándar.

Los investigadores señalaron que, si bien el proceso de compresión introdujo un aumento muy ligero en la tasa del otro tipo de error, esta pérdida fue insignificante comparada con la enorme ganancia en estabilidad contra las inversiones de bit. También observaron que la mejora en la estabilidad creció rápidamente a medida que aumentaban el número de fotones en el sistema, siguiendo un patrón que era mucho más pronunciado que los límites teóricos para los diseños estándar no comprimidos. Esto sugiere que, a medida que estos sistemas se escalen, los beneficios de esta técnica podrían volverse aún más poderosos. El trabajo proporciona un método claro y práctico para mejorar el rendimiento de los procesadores cuánticos, acercando la meta de la computación cuántica tolerante a fallos, donde las máquinas pueden ejecutar algoritmos complejos sin corrección constante, a la realidad.