Unitary fault-tolerant encoding of Pauli states in surface codes

Las computadoras cuánticas prometen resolver problemas que son imposibles para las máquinas actuales, desde el diseño de nuevos medicamentos hasta el modelado de materiales complejos. Sin embargo, estas máquinas son increíblemente frágiles; la más mínima perturbación causada por el calor o las ondas electromagnéticas puede desordenar la información que contienen. Para construir una computadora cuántica útil, los científicos deben proteger estos delicados datos utilizando un método llamado corrección de errores cuánticos. Este enfoque funciona como una red de seguridad, distribuyendo una única pieza de información a través de muchas partículas físicas para que, si una falla, las otras puedan revelar qué sucedió y arreglarlo. El plano más popular para esta red de seguridad se llama código de superficie, el cual dispone estas partículas en una cuadrícula plana. Aunque los investigadores han dominado cómo leer los errores de esta cuadrícula y corregirlos, un problema persistente permanece: cómo crear inicialmente los estados de información "lógicos" protegidos sin introducir nuevos errores durante el propio proceso de creación.

Durante años, la forma estándar de preparar estos estados iniciales implicaba un proceso de dos pasos. Primero, los científicos configuraban todas las partículas físicas en un estado simple y conocido. Luego, realizaban una serie de mediciones para comprobar la estabilidad de la cuadrícula, utilizando los resultados para ajustar el sistema. Este método funciona, pero tiene un fallo oculto. El acto de medir es lento y propenso a sus propios errores, y el proceso de comprobación de la cuadrícula a veces puede propagar errores de una manera que el código no puede detectar. Además, en algunas máquinas cuánticas avanzadas, como las que utilizan iones atrapados o átomos neutros, el acto de medir es mucho más lento y ruidoso que simplemente aplicar una compuerta (un interruptor cuántico), por lo que el método estándar se convierte en un cuello de botella. Los investigadores han buscado durante mucho tiempo una forma de preparar estos estados utilizando únicamente operaciones locales y rápidas, pero los intentos previos de hacer esto fallaron en mantener el alto nivel de protección que el código debería ofrecer.

En un nuevo estudio, un equipo de investigadores ha desarrollado un método para preparar estos estados protegidos utilizando únicamente operaciones locales y rápidas, sin depender de mediciones durante la fase de creación. Descubrieron una secuencia específica de operaciones que construye el estado complejo y entrelazado requerido para el código de superficie desde sus cimientos. La clave de su éxito reside en cómo manejan las conexiones entre las partículas. En lugar de intentar conectar cada partícula con todas las demás a la vez, lo cual es físicamente imposible en muchos dispositivos, utilizan un enfoque paso a paso que respeta la disposición física de la cuadrícula. Comienzan con un estado simple y expanden gradualmente las conexiones, ordenando cuidadosamente los pasos para que cualquier pequeño error que ocurra durante el proceso se manteriiga pequeño y no se propague de forma incontrolada. Esto asegura que el estado final esté tan bien protegido como si hubiera sido creado por el método más lento basado en mediciones.

Los investigadores probaron su idea utilizando simulaciones por computadora que modelaban el comportamiento de las compuertas cuánticas bajo condiciones de ruido realistas. Compararon su nuevo método con el enfoque estándar basado en mediciones para códigos de superficie de varios tamaños. Los resultados mostraron que, para ciertos tipos de hardware cuántico, particularmente aquellos donde las mediciones son lentas y ruidosas, su nuevo método es significativamente mejor. En algunos casos, el nuevo enfoque redujo la tasa de errores lógicos en un factor de diez en comparación con el método estándar. Esta mejora proviene de dos factores principales: el nuevo método utiliza menos operaciones en total, lo que significa que hay menos oportunidades para que las cosas salgan mal, y evita los errores que típicamente se cuelan cuando los datos se transfieren hacia y desde los dispositivos de medición.

El equipo también exploró dos variaciones de su método. Una versión utiliza partículas auxiliares adicionales, llamadas ancillas, para servir de puente entre las conexiones de las partículas de datos principales. La otra versión, que funcionó incluso mejor en sus simulaciones, conecta las partículas de datos directamente entre sí sin estos ayudantes. Esta conexión directa es posible en máquinas donde las partículas pueden moverse o sus conexiones pueden reconfigurarse sobre la marcha, como en sistemas de arreglos de átomos neutros o iones atrapados. Al eliminar la necesidad de las partículas auxiliares, los investigadores eliminaron toda una clase de errores potenciales, logrando estados iniciales más limpios y fiables.

Este trabajo es particularmente importante para el futuro de la computación cuántica porque ofrece un camino práctico para las plataformas de hardware que tienen dificultades con las mediciones. Si bien el nuevo método tarda un poco más en ejecutarse que el enfoque basado en mediciones en términos de número de pasos, es probable que sea más rápido en tiempo real para muchas máquinas porque los pasos que utiliza son mucho más rápidos de ejecutar que las mediciones lentas y ruidosas. Más importante aún, resuelve un problema de seguridad crítico: garantiza que la protección ofrecida por el código de corrección de errores se preserve desde el momento mismo en que se crea el estado. Esto significa que cuando la computadora comienza sus cálculos, inicia con un estado que ya es robusto contra errores, en lugar de uno que es vulnerable hasta que se realiza una ronda de correcciones.

Los investigadores reconocen que su método no es una solución universal para todas las arquitecturas cuánticas posibles. Por ejemplo, depende de la capacidad de realizar operaciones entre partículas vecinas, y aún no resuelve el problema de proteger contra todos los tipos de errores simultáneamente durante la fase de creación. Sin embargo, al demostrar que un enfoque puramente operacional y libre de mediciones puede lograr el mismo nivel de seguridad que el método tradicional, han abierto una nueva puerta. Su trabajo sugiere que, para la próxima generación de procesadores cuánticos, especialmente aquellos construidos con átomos o iones, la forma más fiable de iniciar un cálculo podría ser saltarse las mediciones por completo y simplemente construir el estado con compuertas rápidas y precisas. Este cambio podría reducir significativamente el tiempo que las computadoras cuánticas pasan esperando mediciones y disminuir las tasas generales de error, acercando el sueño de la computación cuántica tolerante a fallos un paso más a la realidad.