Por Troy Oakes
Los ordenadores cuánticos son cada vez más complejos y potentes. Investigadores de la Universidad de Innsbruck, en colaboración con la Universidad Johannes Kepler de Linz y la Universidad Tecnológica de Sídney, presentan ahora un método para caracterizar incluso grandes ordenadores cuánticos utilizando una única configuración de medida.
El patrón oro para la caracterización de los ordenadores cuánticos es la llamada tomografía cuántica, que, por analogía con la tomografía médica, puede dibujar una imagen completa de un sistema cuántico a partir de una serie de instantáneas del sistema.
Aunque ofrece muchas perspectivas, el número de medidas necesarias para la tomografía aumenta rápidamente, triplicándose por cada qubit adicional. Debido al enorme tiempo que se tarda en realizar todas estas mediciones, la tomografía sólo ha sido posible en dispositivos con pocos qubits.
Sin embargo, los recientes avances en los ordenadores cuánticos han conseguido aumentar el tamaño de los sistemas mucho más allá de las capacidades de la tomografía, lo que convierte su caracterización en un cuello de botella desalentador.
Imagen de un ajuste de medición único
Un equipo de físicos dirigido por Martin Ringbauer, del Departamento de Física Experimental de la Universidad de Innsbruck, en colaboración con físicos teóricos de Linz y Sydney, ha desarrollado y demostrado un método práctico para caracterizar incluso sistemas cuánticos a gran escala, basándose en una única medida, independientemente del tamaño del sistema.
Esto se consigue alejándose del cálculo binario inherente a los ordenadores cuánticos y sus predecesores clásicos.
Los iones atómicos utilizados para el procesamiento cuántico de la información presentan mucho más que los niveles de dos qubits a los que está restringido artificialmente.
La utilización de más niveles ofrece la posibilidad de almacenar mucha más información por partícula.
En palabras del físico de Innsbruck Roman Stricker:
«La ampliación de los qubits a cuatro niveles nos permite así almacenar y medir toda la información necesaria para la tomografía de una sola vez».
El equipo ha demostrado un método de caracterización muy eficaz combinando este método de medición con un método de análisis de datos denominado «sombras clásicas», desarrollado inicialmente por Richard Küng, de la Universidad Johannes Kepler de Linz, y sus colegas.
Utilizando las técnicas combinadas, pudieron describir por primera vez un sistema de ocho qubits en tiempo real.
Küng subraya que su marco tiene el potencial de permitir caracterizaciones en tiempo real de futuros dispositivos de gran tamaño, lo que supone un importante paso adelante hacia la escalabilidad de los ordenadores cuánticos.
Técnica ampliamente aplicable a los ordenadores cuánticos
El principal reto tecnológico era transferir con precisión la información de los qubits a los cuatro estados del quart y extraerla después en una sola ejecución del experimento.
Michael Meth, de la Universidad de Innsbruck, explica:
«Nuestras capacidades de lectura hasta ahora sólo podían distinguir entre dos niveles por detección, así que adaptamos nuestra configuración de tal manera que podemos detectar tres veces seguidas para identificar los cuatro niveles.»
Por su parte, Thomas Monz dijo:
«Conseguimos superar este problema programando una lectura rápida de la cámara y contrarrestar el calentamiento de los iones inducido por la detección empleando un paso adicional de enfriamiento del láser».
Estas adaptaciones son cruciales para evitar la pérdida de información cuántica durante el largo proceso de detección.
Martin Ringbauer, quién dirigió el equipo de Innsbruck, subraya:
«Todos los componentes básicos desarrollados en este trabajo se aplican fácilmente a otras arquitecturas de ordenadores cuánticos que tengan acceso a portadores de información de mayor dimensión.
Estas adaptaciones son cruciales para evitar la pérdida de información cuántica durante el largo proceso de detección».
El trabajo de investigación se publicó en la revista PRX Quantum y fue financiado por el Fondo Austriaco para la Ciencia FWF, a través del SFB BeyondC, la Agencia Austriaca de Fomento de la Investigación FFG y la Unión Europea, entre otros.
Proporcionado por la Universidad de Innsbruck
