Photon-stimulated decay of $χ$-matched ancillas causes unheralded bit flips in bosonic codes

En la búsqueda de construir una computadora cuántica capaz de resolver problemas que están fuera del alcance de las máquinas clásicas, los científicos se enfrentan a un enemigo implacable: el ruido. La información cuántica es increíblemente frágil, fácilmente perturbada por la más mínima vibración o fluctuación en su entorno. Para proteger estos delicados datos, los investigadores han desarrollado una estrategia llamada corrección de errores. En lugar de intentar que los componentes físicos sean perfectos, distribuyen una única pieza de información, conocida como qubit lógico, a través de muchos componentes físicos. Si una parte falla, el sistema puede detectar el error y corregirlo sin destruir la información. Un enfoque prometedor utiliza luz atrapada dentro de una cavidad de microondas, almacenando datos en el número de fotones, o partículas de luz, que rebotan en su interior. Para comprobar si los datos siguen seguros, el sistema necesita un ayudante, un pequeño dispositivo cuántico llamado ancilla, que actúa como un sensor para leer el estado de la luz sin tocarla directamente.

Durante años, los ingenieros han dependido de un tipo específico de ayudante, un circuito superconductor conocido como transmon, que ha sido ajustado para que sus niveles de energía coincidan con la luz de una manera muy precisa. Se creía que este ajuste era un escudo perfecto. La teoría sostenía que si el ayudante cometía un error y caía a un estado de menor energía, el sistema lo sabría de inmediato y podría corregirlo, o que ciertos errores peligrosos eran físicamente imposibles debido a las reglas de simetría que gobiernan el sistema. Este diseño se ha utilizado en procesadores cuánticos reales, como el código de repetición Ocelot desarrollado por investigadores de AWS, donde almacenó información con éxito durante milisegundos. El supuesto prevaleciente era que los errores del ayudante eran independientes de la cantidad de luz almacenada; cuanto más luz hubiera, mejor sería la protección, y el comportamiento del ayudante permanecía constante.

Sin embargo, un nuevo análisis de Aleksandr Gulkanov, de la Universidad de Rice, sugiere que este escudo tiene una grieta oculta. Al observar de cerca cómo el ayudante interactúa con la luz dentro de la cavidad, el investigador descubrió que los mismos fotones destinados a proteger los datos pueden, de hecho, desencadenar un tipo específico de fallo en el ayudante. El estudio muestra que cuando la cavidad está llena de fotones, el ayudante puede experimentar una transición que antes se consideraba prohibida. En este proceso, el ayudante cae a un estado de menor energía mientras simultáneamente añade un fotón al campo de luz. Crucialmente, este evento ocurre sin ninguna señal de advertencia para la computadora. El sistema no sabe que ha ocurrido un error y, debido a que el estado del ayudante cambia de una manera que confunde los datos, este invierte la información almacenada. Este es un error silencioso, uno que la computadora no puede detectar ni corregir.

Los investigadores no solo propusieron esta idea teóricamente; construyeron un modelo detallado del dispositivo Ocelot real para ver cómo se comportaría este canal oculto en una máquina real. Descubrieron que la tasa de estos errores silenciosos depende directamente del número de fotones en la cavidad. A medida que aumenta la cantidad de luz almacenada, la probabilidad de este fallo específico crece. Esto es una desviación significativa de los modelos anteriores, que asumían que la tasa de error se mantendría plana independientemente de la intensidad de la luz. En sus simulaciones, el equipo observó que para el dispositivo Ocelot, la probabilidad de un giro de bit causado por este mecanismo aumenta linealmente a medida que el número de fotones asciende de cuatro a diez. Este crecimiento significa que simplemente añadir más luz para fortalecer el código eventualmente choca contra un muro. En lugar de que la tasa de error continúe cayendo exponencialmente como se esperaba, comienza a subir, creando un suelo por debajo del cual el sistema no puede bajar.

Este descubrimiento desafía la comprensión actual de cómo optimizar estos códigos cuánticos. El estudio indica que existe un tamaño óptimo para el almacenamiento de luz, un número específico de fotones donde la tasa de error es más baja. Ir más allá de este punto, intentando almacenar más luz para obtener más protección, hace que el sistema sea más vulnerable a este tipo específico de ruido. Los investigadores calcularon que, para los dispositivos que se utilizan actualmente, este límite podría restringir la capacidad del sistema para distinguir entre diferentes tipos de errores, limitando efectivamente el rendimiento de la computadora. También señalaron que, aunque el efecto es pequeño en los experimentos actuales, que solo han probado hasta cuatro fotones, la tendencia es clara en su modelo. Si la tecnología escala para almacenar más luz, este modo de fallo silencioso se convertirá en la fuente dominante de errores, superando otros problemas conocidos.

El artículo también explora por qué sucede esto. Resulta que el ayudante y la luz no solo están sentados uno al lado del otro; están profundamente entrelazados. La presencia de la luz cambia el paisaje energético del ayudante, permitiendo un camino para la decadencia que está bloqueado cuando la luz está ausente. Este camino es impulsado por el ruido eléctrico, un zumbido de fondo común en estos circuitos. Cuando la luz está presente, actúa como un catalizador, estimulando al ayudante para que realice un salto que no haría por sí solo. Los investigadores demostraron que este efecto es inevitable para el tipo de ayudante que se utiliza actualmente, independientemente de qué tan fuerte sea la conexión entre el ayudante y la luz. Las únicas formas de reducir este riesgo son cambiar el diseño del ayudante, utilizar un tipo de circuito completamente diferente o aceptar que existe un límite para la cantidad de luz que se puede utilizar para la protección.

Los hallazgos tienen implicaciones inmediatas para el diseño de las futuras computadoras cuánticas. Los ingenieros que han estado planeando aumentar el tamaño de estos códigos basados en luz para mejorar su rendimiento podrían necesitar reconsiderar sus estrategias. El estudio sugiere que presionar por códigos más grandes sin abordar esta interacción específica podría conducir a rendimientos decrecientes o incluso a un peor rendimiento. Los investigadores enfatizan que su trabajo es una simulación basada en la física conocida del dispositivo Ocelot, calibrada con mediciones estáticas del hardware. Si bien el crecimiento real de los errores aún no se ha observado en experimentos porque los dispositivos actuales no se han probado con suficiente luz para ver la tendencia, el marco teórico es robusto. El modelo predice que, si los experimentos se extendieran a un mayor número de fotones, la tasa de error aumentaría, confirmando la existencia de este nuevo canal.

En última instancia, este trabajo sirve como un recordatorio de que, en los sistemas cuánticos, las herramientas utilizadas para proteger la información a veces pueden convertirse en la fuente de su destrucción. Los fotones que estabilizan el código también abren una puerta para que el ruido se filtre. Al identificar este mecanismo, el estudio proporciona un objetivo claro para futuras mejoras. Indica a los investigadores que, para construir mejores computadoras cuánticas, deben mirar más allá de la simple idea de que "más luz es mejor" y, en su lugar, centrarse en la intrincada danza entre el ayudante y los datos que debe proteger. El camino a seguir implica rediseñar el ayudante para evitar esta interacción o encontrar nuevas formas de gestionar el ruido que la impulsa, asegurando que la próxima generación de máquinas cuánticas pueda realmente aprovechar el poder de la luz sin ser víctima de su propia presencia.