Benchmarking exchange-only control of a 48-spin singlet manifold

En la búsqueda de la construcción de una máquina capaz de resolver problemas que están fuera del alcance de las computadoras actuales, los científicos están explorando muchas formas diferentes de almacenar y procesar información. Un enfoque prometedor se basa en los diminutos espines magnéticos de los electrones, que pueden actuar como microscópicas agujas de brújula apuntando hacia arriba o hacia abajo. En la mayoría de los diseños, los investigadores intentan controlar cada electrón de forma individual, tratándolo como una unidad de información separada. Sin embargo, un enfoque diferente utiliza la tendencia natural de estos electrones a intercambiar lugares con sus vecinos, un proceso impulsado por una fuerza fundamental llamada interacción de intercambio. Este método ofrece un camino hacia la alta precisión porque la interacción es simple y robusta, pero conlleva un inconveniente: los electrones no pueden controlarse uno por uno. En su lugar, deben agruparse en cúmulos más grandes que se comporten como un sistema único y unificado. Esto crea un paisaje de estados posibles vasto y complejo, mucho mayor que el disponible cuando se controlan unidades individuales, pero también hace que el sistema sea más difícil de navegar y medir.

Un equipo de investigadores de HRL Quantum y Microsoft ha dado ahora un gran paso adelante en el dominio de este enfoque. Construyeron un dispositivo que contiene 48 espines de electrones y demostraron que podían manipular todo este grupo con una precisión notable, tratando a toda la colección como un único y masivo procesador cuántico. En lugar de intentar aislar pequeños grupos de tres espines para que actúen como bits estándar, el equipo operó el arreglo completo en un estado en el que el espín magnético total de todo el grupo es cero. Esta configuración específica les permite acceder a un espacio de posibilidades que es mayor de lo que 40 bits estándar podrían contener, y aun así lograron controlarlo sin los errores habituales que afectan a tales sistemas de gran tamaño. Su trabajo muestra que, al abrazar la complejidad del sistema completo en lugar de luchar contra ella, pueden lograr un nivel de exactitud que supera a otras tecnologías cuánticas líderes.

Los investigadores probaron su sistema utilizando una serie de experimentos rigurosos diseñados para medir qué tan bien la máquina preserva la información mientras realiza operaciones complejas. Comenzaron ejecutando secuencias aleatorias de interacciones de intercambio de espín, esencialmente pidiendo a los electrones que barajen sus conexiones de formas impredecibles. Para ver si la máquina estaba funcionando correctamente, midieron con qué frecuencia el sistema regresaba a su estado inicial después de estos barajados. Descubrieron que por cada operación de intercambio realizada, la probabilidad de que el sistema cometiera un error era increíblemente pequeña, aproximadamente 3 en 10,000. Esta tasa de error es significativamente inferior a la reportada para otros tipos de computadoras cuánticas, que típicamente muestran tasas de error superiores a 1 en 1,000 para sus operaciones básicas. Este resultado es particularmente impresionante porque tiene en cuenta todo el ruido e imperfecciones de toda la secuencia de control, no solo el rendimiento teórico de un solo componente.

Para comprender cómo se propaga la información a través de este enorme grupo de electrones, el equipo realizó una prueba más avanzada conocida como un correlador de orden temporal fuera de tiempo (out-of-time-order correlator). En este experimento, introdujeron una pequeña perturbación en una parte del sistema y luego observaron cómo esa perturbación se propagaba a través de todo el grupo de 48 espines. Observaron que la información no se quedaba en su lugar; en cambio, se desordenaba y se extendía por todo el dispositivo en un patrón de tipo onda. Al medir el estado de pares específicos de electrones al final del proceso, pudieron ver exactamente cómo la perturbación inicial había afectado al resto del sistema. Los resultados coincidieron con las simulaciones por computadora de una máquina perfecta y libre de ruido con una precisión asombrosa, confirmando que los electrones interactuaban exactamente como las leyes de la física predecían, incluso en un arreglo tan grande y complejo.

El equipo también exploró cómo se comporta el sistema al simular un tipo específico de material magnético, conocido como una cadena de espín de Heisenberg. Programaron los electrones para imitar las interacciones encontradas en este material, ajustando la fuerza de las conexiones entre vecinos para ver cómo respondía el sistema. Observaron patrones claros de ondas viajando de un lado a otro a través de la cadena, reflejándose en los extremos e interfiriendo entre sí. Estos patrones cambiaban de maneras predecibles dependiendo de los ajustes que elegían, demostrando que el dispositivo podía reproducir fielmente la dinámica de modelos físicos complejos. Si bien el sistema aún no es lo suficientemente grande como para resolver problemas que son imposibles para las computadoras clásicas, la capacidad de simular estas interacciones magnéticas con tan alta fidelidad sugiere que la tecnología está madurando rápidamente.

Uno de los aspectos más significativos de este trabajo es el método utilizado para medir el éxito. En lugar de observar el rendimiento de puertas individuales o de pequeños grupos de espines, los investigadores evaluaron todo el sistema como un todo. Trataron los 48 espines no como una colección de bits separados, sino como una entidad única e interconectada. Este enfoque les permitió utilizar toda la gama de estados disponibles en el sistema, incluyendo aquellos que suelen considerarse errores o "fugas" en otros diseños. Al hacerlo, pudieron extraer una imagen mucho más precisa de las verdaderas capacidades de la máquina. Los datos revelaron que los errores en el sistema no son solo fallos aleatorios, sino que incluyen patrones consistentes y predecibles que pueden modelarse y entenderse. Este conocimiento es crucial para futuras mejoras, ya que apunta hacia un mejor hardware de control y técnicas de calibración.

Los investigadores reconocen que, aunque su dispositivo funciona excepcionalmente bien, aún no es una computadora totalmente tolerante a fallos capaz de ejecutar cualquier algoritmo sin errores. La tasa de error que midieron, aunque baja, seguiría acumulándose durante cálculos muy largos, sobrepasando eventualmente los resultados. Sin embargo, el hecho de haber logrado errores tan bajos en un sistema de este tamaño es un fuerte indicador de que el enfoque basado únicamente en el intercambio es viable. Sugiere que, con refinamientos adicionales en la electrónica de control y en la forma en que se entregan los pulsos a los espines, las tasas de error podrían reducirse aún más. El trabajo del equipo proporciona una hoja de ruta clara sobre cómo escalar estos sistemas, mostrando que los desafíos de controlar grandes grupos de electrones no son insuperables.

En el contexto más amplio de la computación cuántica, este estudio ofrece una alternativa convincente a las estrategias dominantes que dependen del control de qubits individuales. Demuestra que hay valor en trabajar con el comportamiento colectivo de muchas partículas, incluso si eso significa renunciar a la capacidad de dirigirse a ellas individualmente. La alta fidelidad alcanzada en este experimento sugiere que la interacción de intercambio es una herramienta poderosa para construir máquinas cuánticas. A medida que el campo avanza, las lecciones aprendidas de este sistema de 48 espines probablemente influirán en cómo se diseñen y prueben los futuros dispositivos. La capacidad de acceder y controlar un espacio de Hilbert tan grande con alta precisión abre nuevas posibilidades para simular materiales complejos y resolver problemas difíciles, acercando la visión de una computadora cuántica práctica a la realidad.