Un equipo de físicos españoles y austríacos ha logrado codificar un bit cuántico (qubit) en estados entrelazados de varias partículas y, por primera vez, realizar con él computaciones cuánticas robustas y resistentes. El registro cuántico, de siete átomos, podría servir como módulo básico para un ordenador cuántico con corrección de todo tipo de errores.
El futuro ordenador cuántico, el gran reto científico para muchos físicos, necesitará, como todas las computadoras, un método para corregir los posibles errores en sus cálculos. La revista Science ha anunciado que, por primera vez, un equipo de científicos de Austria y España ha conseguido corregir errores arbitrarios con qbits o bits cuánticos y realizar computaciones cuánticas robustas y resistentes.
Existía una carrera entre varios equipos mundiales para llegar a este resultado. "Nosotros lo hemos conseguido con el laboratorio de grupo de Rainer Blatt en Innsbruck y con un modelo teórico que desarrollamos en mi grupo de la Universidad Complutense de Madrid (UCM) en 2006", explica a Sinc Miguel Ángel Martín-Delgado, del Departamento de Física Teórica I de la UCM.
"Un bit cuántico no solo es muy complejo y no puede ser copiado, sino que además los errores en el mundo cuántico son más variados y difíciles de combatir que en los ordenadores de hoy en día", explica Thomas Monz, del Instituto de Física Experimental de la Universidad de Innsbruck (Austria). "Para poder detectar y corregir errores en un ordenador cuántico es necesario recurrir a sofisticados códigos cuánticos de corrección de errores".
El código, desarrollado por el Grupo de Información y Computación Cuántica (GICC) de Martín-Delgado, distribuye los qubits en una red bidimensional en la que pueden interactuar con las partículas vecinas.
En el laboratorio de la Universidad de Innsbruck, los físicos utilizan una trampa de iones en la que atrapan siete átomos de calcio. Mediante láseres, se enfrían hasta casi alcanzar el punto cero de temperatura, y pueden ser controlados con alta precisión. Los investigadores almacenan los estados cuánticos frágiles del bit cuántico lógico en los estados entrelazados de estas partículas, y es el código cuántico de corrección de errores el que proporciona el programa que lo hace robusto.
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"Por la elevada complejidad del estado cuántico, codificar el bit cuántico lógico en estos siete bits cuánticos ha sido un verdadero desafío experimental", comenta Daniel Nigg, del grupo de investigación de Rainer Blatt. Los físicos realizaron la codificación en tres pasos, en cada uno de los cuales aplicaron una secuencia compleja de pulsos de láser para entrelazar grupos de cuatro bits cuánticos vecinos.
"Con esto se ha conseguido por primera vez utilizar siete átomos de manera controlada para almacenar un único bit cuántico", cuenta entusiasmado Markus Müller, que en el año 2011 se trasladó de Innsbruck a la Universidad Complutense de Madrid. "Estos átomos, entrelazados de esta forma específica, proporcionan suficiente información para sucesivas correcciones de errores y computaciones cuánticas".
Como curiosidad, Martín Delgado comenta que "el estado cuántico construido [el registro del ordenador cuántico] es el más complejo logrado experimentalmente hasta ahora. Es genuinamente distinto de experimentos anteriores porque la complejidad de su entrelazamiento es superior".
Computación sin errores
En el siguiente paso, los físicos comprobaron la posibilidad de detectar y corregir los diferentes fallos. "Hemos conseguido demostrar en el experimento que en este sistema cuántico se pueden detectar y corregir de manera independiente, y para cada una de las partículas, todos los posibles tipos de errores", cuenta Daniel Nigg.
"Para ello, solo necesitamos información sobre las correlaciones entre las partículas, en vez de medidas de las partículas individuales", explica Esteban Martínez, colega experimental de Nigg. Los físicos no solo lograron detectar los errores; por primera vez también consiguieron realizar pasos computacionales básicos, e incluso ejecutar secuencias de cómputo más largas en un bit cuántico codificado de esta forma.
Una vez superado el obstáculo de la laboriosa codificación, solamente se requieren manipulaciones en bits cuánticos individuales para llevar a cabo las operaciones computacionales. "Este código cuántico nos permite por primera vez realizar computaciones cuánticas elementales y al mismo tiempo corregir todo tipo de posibles errores", explica Monz.
La línea desarrollada entre los físicos españoles y austríacos constituye una base prometedora para futuras investigaciones. "El modelo de los siete átomos, empleado para el almacenamiento de un bit cuántico lógico, puede servir como módulo fundamental para sistemas cuánticos mucho más grandes", dice el físico teórico Müller.
"Cuanto más grande es la red de bits cuánticos, más robusta se hace. Al final de este desarrollo podría estar un ordenador cuántico, capaz de ejecutar computaciones arbitrariamente largas, sin que le afecten errores", añade.
Sin embargo, este experimento no solo abre nuevas perspectivas para futuros desarrollos tecnológicos. "También se presentan nuevos desafíos metodológicos, entre ellos, por ejemplo, la cuestión de cómo caracterizar estos bits cuánticos lógicos tan grandes", comenta Rainer Blatt pensando en el futuro. "Juntos ya estamos trabajando en diversas mejoras de los códigos cuánticos empleados, y en su optimización para computaciones cuánticas aun más extensas", añade Martín-Delgado.
El proyecto ha sido financiado por varias instituciones, entre ellas el Ministerio de Economía y Competitividad de España, el programa "Quantum Information Technologies in Madrid (QUITEMAD)" de la Comunidad de Madrid, el Austrian Science Fund (FWF), la Comisión Europea (PICC), la Industria Tirolesa, y el Gobierno de los EEUU.
Referencia bibliográfica:
Daniel Nigg, Markus Müller, Esteban A. Martinez, Philipp Schindler, Markus Hennrich, Thomas Monz, Miguel Angel Martin-Delgado, Rainer Blatt. “Quantum Computations on a Topologically Encoded Qubit”. Science, 12 de junio de 2014. DOI: 10.1126/science.1253742.
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