Quantinuum escala la corrección de errores para mejorar la computación cuántica tolerante a fallas

Aunque las empresas de computación cuántica y los investigadores han logrado avances en la reducción del número de qubits físicos, esto también tiende a aumentar la tasa de error. Una preocupación importante en esta área es que agregar suficientes qubits para resolver problemas importantes también puede conducir a resultados propensos a errores.

Los investigadores de Quantinuum informan que recientemente encontraron una forma de escalar la cantidad de qubits para aumentar el rendimiento y reducir la tasa de error. Esta no es una tarea fácil porque las computadoras cuánticas tienen un mayor volumen de errores que las computadoras clásicas. Además, muchas técnicas de corrección de errores que forman un pilar de la computación clásica, como la verificación de paridad, también introducen nuevos errores en la computación cuántica.

Quantinuum se formó mediante la fusión de Cambridge Quantum Computing, una empresa líder en software cuántico, y la división de hardware cuántico de Honeywell. Cambridge Quantum Computing había desarrollado mejores algoritmos cuánticos y formas de traducir los algoritmos informáticos clásicos para trabajar en computadoras cuánticas. Mientras tanto, Honeywell ha sido pionera en una nueva arquitectura de trampa de iones para computación cuántica que permite que los qubits se conecten más fácilmente que otros enfoques.

El trabajo de Honeywell permitió al equipo convertir 20 qubits físicos en dos qubits lógicos más confiables. Si bien esto puede parecer un paso atrás numéricamente hablando, es un gran paso adelante ya que estos qubits se pueden sumar.

Los investigadores comúnmente se refieren a la generación actual de computadoras cuánticas como parte de la era de la ruidosa escala cuántica intermedia (NISQ). Este trabajo allanará el camino para construir computadoras cuánticas tolerantes a fallas que puedan escalar para abordar problemas importantes.

Giro cuántico en la redundancia

Los errores de hardware en los que un transistor cambia espontáneamente tienden a ser raros en los circuitos de semiconductores modernos, pero en algunos casos, como ejecutar un sistema crítico para la seguridad expuesto a la radiación, los ingenieros diseñan sistemas de corrección de errores que combinan tres procesadores. Un sistema de supervisión compara los resultados. Si ocurre un error, el sistema de supervisión puede detectar si el cálculo no coincide y puede ignorarlo con seguridad si no coincide con los demás.

La computadora cuántica puede introducir nuevos problemas. Hay varios tipos de errores que necesitan ser corregidos. La verificación de paridad relativamente simple en la computación clásica puede producir nuevos errores en la computación cuántica.

Las computadoras cuánticas pueden sufrir dos tipos de errores: inversiones de bits e inversiones de fase. En un error de inversión de bits, el qubit invierte incorrectamente el estado computacional de cero a uno y viceversa. En un error de inversión de fase, que no ocurre en una computadora clásica, la fase del qubit invierte el estado. Investigaciones teóricas anteriores han identificado una forma de corregir ambos tipos de errores mediante la construcción de qubits lógicos. El año pasado, Quantinuum demostró una implementación práctica de estas técnicas en una computadora cuántica usando un código de 5 qubits. Sin embargo, esto aún aumentó los errores a medida que se redujo la cantidad de qubits.

En la nueva técnica, llamada codificación por colores, los investigadores encontraron una manera de combinar siete qubits lógicos en un qubit lógico en coordinación con 2-3 qubits auxiliares utilizados para sondear. Implementaron esta nueva técnica de codificación por colores sobre la computadora más reciente de Quantinuum con 20 qubits físicos para crear dos qubits lógicos confiables. Estos nuevos qubits lógicos se pueden escalar de manera eficiente de una manera que aumenta la tolerancia a fallas que no era práctica con los qubits físicos o incluso con el enfoque de 5 qubits.

Russelll Stutz, director de hardware comercial de Quantinuum, le dijo a VentureBeat que esto significa que a medida que se agregan más qubits, la probabilidad de obtener errores que arruinen todo el cálculo disminuye con un modesto aumento en la cantidad de qubits físicos.

Un desafío pendiente es el ciclo de corrección de errores cuánticos. El simple acto de sondear un qubit en busca de errores puede introducir otros nuevos. Stutz dijo que el trabajo futuro explorará formas de garantizar que no agreguen más errores de los que eliminan con un código de corrección de errores.

Se requiere conexión

Los investigadores pensaron en cómo podrían funcionar diferentes enfoques de corrección de errores cuánticos. Aunque el enfoque Quantinuum no proporciona tantos qubits físicos sin procesar como otros enfoques, estos están completamente conectados, lo que abre oportunidades para explotar estos algoritmos innovadores. En muchas arquitecturas cuánticas, cada qubit está conectado solo a unos pocos vecinos.

“Ahora estamos probando conceptos de códigos de corrección de errores cuánticos inventados a fines de la década de 1990 que pueden implementarse en estos sistemas reales por primera vez”, dijo Stutz. “Es un momento emocionante para aprender sobre la corrección de errores cuánticos”.

Stutz dice que esta investigación es un hito significativo en el largo camino hacia la computación cuántica tolerante a fallas. Él cree que los investigadores podrán resolver muchos problemas prácticos una vez que escalan los sistemas a 50 qubits lógicos con tasas de error más bajas que los qubits físicos.

“Está sentando las bases”, dijo Stutz. “Realmente no se puede resolver un problema relevante para la industria con la cantidad de qubits lógicos con los que estamos lidiando en este momento. Básicamente, estamos construyendo componentes realmente buenos que se usarán en un cálculo más grande”.

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