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Qubits físicos y lógicos

En computación cuántica , un qubit es una unidad de información análoga a un bit (dígito binario) en computación clásica , pero se ve afectada por propiedades mecánicas cuánticas como la superposición y el entrelazamiento que permiten que los qubits sean en algunos aspectos más poderosos que los bits clásicos para algunas tareas . Los qubits se utilizan en circuitos cuánticos y algoritmos cuánticos compuestos por puertas lógicas cuánticas para resolver problemas computacionales , donde se utilizan para entrada/salida y cálculos intermedios.

Un qubit físico es un dispositivo físico que se comporta como un sistema cuántico de dos estados , utilizado como componente de un sistema informático . [1] [2] Un qubit lógico es un qubit físico o abstracto que funciona como se especifica en un algoritmo cuántico o circuito cuántico [3] sujeto a transformaciones unitarias , tiene un tiempo de coherencia lo suficientemente largo para ser utilizable por puertas lógicas cuánticas (cf retardo de propagación para puertas lógicas clásicas). [1] [4] [5]

Desde el desarrollo de la primera computadora cuántica en 1998, la mayoría de las tecnologías utilizadas para implementar qubits enfrentan problemas de estabilidad, decoherencia , [6] [7] tolerancia a fallas [8] [9] y escalabilidad . [6] [9] [10] Debido a esto, se necesitan muchos qubits físicos para fines de corrección de errores para producir una entidad que se comporte lógicamente como lo haría un solo qubit en un circuito o algoritmo cuántico; este es el tema de la corrección de errores cuánticos . [3] [11] Por lo tanto, los qubits lógicos contemporáneos generalmente consisten en muchos qubits físicos para proporcionar estabilidad, corrección de errores y tolerancia a fallas necesarias para realizar cálculos útiles. [1] [7] [11]

En 2023, los investigadores de Google demostraron cómo la corrección de errores cuánticos puede mejorar el rendimiento de los cúbits lógicos al aumentar el número de cúbits físicos. [12] Estos resultados descubrieron que un cúbit lógico más grande (49 cúbits físicos) tenía una tasa de error más baja, alrededor del 2,9 por ciento por ronda de corrección de errores, en comparación con una tasa de alrededor del 3,0 por ciento para el cúbit lógico más pequeño (17 cúbits físicos). [13]

En 2024, los investigadores de IBM crearon un código de corrección de errores cuánticos 10 veces más eficiente que las investigaciones anteriores, protegiendo 12 qubits lógicos durante aproximadamente un millón de ciclos de comprobaciones de errores utilizando 288 qubits. [14] [15] El trabajo demuestra la corrección de errores en dispositivos de corto plazo al tiempo que reduce la sobrecarga (la cantidad de qubits físicos necesarios para mantener bajos los errores). [16]

En 2024, Microsoft y Quantinuum anunciaron resultados experimentales que demostraban que se podían crear cúbits lógicos con una cantidad significativamente menor de cúbits físicos. [17] El equipo utilizó técnicas de corrección de errores cuánticos desarrolladas por Microsoft y el hardware de iones atrapados de Quantinuum para utilizar 30 cúbits físicos y formar cuatro cúbits lógicos. Los científicos utilizaron un sistema de virtualización de cúbits y extracción de síndrome activo, también llamada corrección de errores repetidos para lograrlo. [18] Este trabajo define cómo lograr cúbits lógicos dentro de la computación cuántica. [19]

Descripción general

Se ha demostrado que las operaciones de compuerta cuántica de 1 bit y 2 bits son universales. [20] [21] [22] [23] Un algoritmo cuántico se puede instanciar como un circuito cuántico . [24] [25]

Un qubit lógico especifica cómo debe comportarse un único qubit en un algoritmo cuántico, sujeto a operaciones de lógica cuántica que pueden construirse a partir de puertas lógicas cuánticas. Sin embargo, los problemas en las tecnologías actuales impiden que los sistemas cuánticos de dos estados individuales , que pueden usarse como qubits físicos , codifiquen y retengan de manera confiable esta información durante el tiempo suficiente para que sea útil. Por lo tanto, los intentos actuales de producir computadoras cuánticas escalables requieren corrección de errores cuánticos, y se deben usar múltiples (actualmente muchos) qubits físicos para crear un único qubit lógico tolerante a errores. Dependiendo del esquema de corrección de errores utilizado y las tasas de error de cada qubit físico, un único qubit lógico podría estar formado por hasta 1000 qubits físicos. [26]

Computación cuántica topológica

El enfoque de los qubits topológicos , que aprovecha los efectos topológicos de la mecánica cuántica , se ha propuesto como que necesita muchos menos o incluso un solo qubit físico por qubit lógico. [10] Los qubits topológicos se basan en una clase de partículas llamadas anyones que tienen un espín que no es ni semientero ( fermiones ) ni integral ( bosones ), y por lo tanto no obedecen ni a las estadísticas de Fermi-Dirac ni a las estadísticas de Bose-Einstein del comportamiento de las partículas. [27] Los anyones exhiben simetría de trenza en sus líneas de mundo , que tiene propiedades deseables para la estabilidad de los qubits. En particular, los anyones deben existir en sistemas restringidos a dos dimensiones espaciales o menos, de acuerdo con el teorema de estadística de espín , que establece que en 3 o más dimensiones espaciales, solo son posibles los fermiones y los bosones. [27]

Véase también

Referencias

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  2. ^ Viola, Lorenza ; Knill, Emanuel; Laflamme, Raymond (7 de septiembre de 2001). "Construcción de cúbits en sistemas físicos". Journal of Physics A: Mathematical and General . 34 (35): 7067–7079. arXiv : quant-ph/0101090 . Bibcode :2001JPhA...34.7067V. doi :10.1088/0305-4470/34/35/331. ISSN  0305-4470. S2CID  14713492.
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