Conditional-squeezing gate in superconducting circuits

En la búsqueda de construir una computadora cuántica, los científicos se enfrentan a una elección fundamental: cómo almacenar información. El enfoque más común trata los datos como una cadena de diminutos interruptores, cada uno bloqueado en una de dos posiciones, representando un cero o un uno. Este método funciona bien, pero requiere muchos interruptores físicos para proteger una sola pieza de información de los errores. Un camino alternativo observa la naturaleza continua de las ondas de luz y sonido, donde la información se codifica en la forma y fase de una onda que puede existir en un número infinito de estados. Este enfoque continuo ofrece una forma de empaquetar más datos en un solo sistema, pero es notoriamente difícil de controlar. El desafío radica en dar forma a estas ondas con extrema precisión sin introducir el ruido que destruye la información cuántica.

Un grupo de investigadores en Argentina ha demostrado ahora una nueva forma de dar forma a estas ondas cuánticas con alta precisión, ofreciendo un paso prometedor hacia una memoria cuántica más robusta. Se centraron en un tipo específico de onda llamada estado exprimido (squeezed state), donde la incertidumbre de la onda se comprime en una dirección mientras se expande en otra, de forma muy similar a cómo se exprime un globo. El objetivo era crear un dispositivo que pudiera exprimir esta onda en una dirección determinada por el estado de un bit cuántico separado, o qubit. Esta acción condicional es esencial para construir códigos cuánticos complejos que puedan detectar y corregir sus propios errores. Sin embargo, las leyes físicas que gobiernan estos circuitos introducen ondulaciones sutiles y no deseadas que distorsionan la onda, amenazando con arruinar la operación. El equipo desarrolló una técnica ingeniosa para cancelar estas ondulaciones, permitiéndoles crear una puerta de exprimido casi perfecta. Sus simulaciones muestran que este método puede codificar información cuántica con una fidelidad que supera el 99 por ciento, un nivel de precisión requerido para la computación cuántica práctica.

El experimento tiene lugar en un circuito superconductor, un diminuto lazo electrónico hecho de materiales que conducen electricidad sin resistencia cuando se enfrían cerca del cero absoluto. En el corazón de esta configuración se encuentra un resonador, una cámara que atrapa ondas electromagnéticas, y un qubit, un interruptor microscópico que puede estar en un estado de cero o uno. Ambos están vinculados de modo que el estado del qubit cambia la frecuencia natural del resonador. Para exprimir la onda dentro del resonador, los investigadores aplican un campo magnético que oscila a una tasa específica. Al utilizar dos frecuencias de oscilación diferentes simultáneamente, pueden impulsar el resonador hacia un estado en el que la onda está exprimida. Crucialmente, debido a que el qubit cambia la frecuencia del resonador, el exprimido ocurre en una dirección si el qubit es cero, y en una dirección perpendicular si el qubit es uno. Esto crea una puerta condicional, un bloque fundamental para la lógica cuántica.

El problema es que la física del circuito no es perfectamente limpia. A medida que el campo magnético impulsa el sistema, introduce términos de deriva lentos que causan que la onda oscile y acumule desplazos de fase no deseados. Estas distorsiones acten como un ligero desalineamiento, haciendo que la onda exprimida apunte en la dirección incorrecta o gane una fase aleatoria que desordena la información. En intentos previos de construir puertas similares, estos errores eran difíciles de corregir, limitando la precisión de la operación. Los investigadores se dieron cuenta de que la forma específica en que impulsaban el sistema con dos frecuencias creaba una simetría oculta. Descubrieron que si revertían el flujo del tiempo y permutaban los roles de las dos frecuencias de impulso, las distorsiones no deseadas se cancelarían entre sí.

Para explotar esta simetría, el equipo diseñó un protocolo de cuatro pasos. Primero, dejaron que el sistema evolucionara durante un periodo corto, permitiendo que el exprimido comenzara y las distorsiones empezaran a acumularse. Luego, aplicaron un pulso rápido para invertir el qubit de cero a uno o viceversa, mientras simultáneamente permutaban las fases de las dos frecuencias de impulso. Esta acción efectivamente revierte la dirección del tiempo para las distorsiones. Dejaron que el sistema evolucionara durante un tiempo igual en este estado invertido, permitiendo que los errores se anularan a sí mismos. Finalmente, invirtieron el qubit a su estado original. El resultado es un proceso donde el efecto de exprimido deseado se suma, pero los errores no deseados se cancelan completamente.

El equipo probó este método utilizando simulaciones computacionales detalladas que modelaban el comportamiento del circuito con alta precisión. Simularon la codificación de un estado de qubit arbitrario en un patrón complejo de ondas exprimidas, un proceso conocido como algoritmo de codificación. Sin la técnica de corrección, los errores de los términos de deriva causaban que la fidelidad de la información codificada cayera significativamente, con desviaciones que alcanzaban hasta el 0,3 por ciento. Esto puede parecer pequeño, pero en el mundo de la computación cuántica, tales errores se acumulan rápidamente y destruyen la computación. Cuando aplicaron la técnica de refocalización, la desviación cayó a casi cero, con errores que medían solo unas pocas partes en diez millones. Las simulaciones mostraron que la puerta podía alcanzar una fidelidad promedio de más del 99 por ciento para cualquier estado de entrada, siempre que los componentes físicos fueran de alta calidad.

Los investigadores también consideraron las imperfecciones del mundo real que existirían en un dispositivo físico, como la pérdida de energía del circuito y el comportamiento no lineal de los materiales superconductores. Incluso incluyendo estos factores, y asumiendo valores optimistas pero realistas para cuánto tiempo pueden sobrevivir los estados cuánticos antes de decaer, la puerta mantuvo una fidelidad superior al 99 por ciento. El equipo extendió aún más su trabajo para mostrar que este método podría aplicarse a dos resonadores a la vez, creando estados entrelazados que son incluso más poderosos para el procesamiento de información cuántica. En este escenario de dos modos, la puerta alcanzó fidelidades aún más altas en un tiempo más corto, gracias a las fuertes correlaciones entre las dos ondas.

Este trabajo proporciona un camino claro hacia la construcción de puertas cuánticas de alta fidelidad que manipulen variables continuas con la precisión necesaria para la corrección de errores. Al utilizar un truco de tiempo simple para cancelar el ruido inevitable del mundo físico, los investigadores han demostrado que es posible crear una puerta que sea casi indistinguible de la versión teórica ideal. La capacidad de codificar información en estos estados exprimidos especiales abre la puerta a nuevos tipos de códigos cuánticos que pueden detectar errores simplemente revisando la paridad de la onda. Aunque los resultados presentados aquí se basan en simulaciones, ofrecen un plano concreto para que los experimentales lo sigan, sugiriendo que la próxima generación de computadoras cuánticas podría depender de estos sistemas basados en ondas continuas para almacenar y procesar información con una fiabilidad sin precedentes.