Por Canuto  

Investigadores del MIT diseñaron un cúbit con un componente dedicado al almacenamiento y otro a la interacción, una combinación que en simulaciones mostró mayor velocidad, coherencia y fidelidad para la corrección de errores cuánticos.
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  • El llamado cúbit brazo separa las funciones de guardar información y comunicarse con otros elementos del circuito.
  • Las simulaciones reportaron tiempos de coherencia de vanguardia, operaciones más rápidas y lecturas de mayor fidelidad frente a otras arquitecturas superconductoras.
  • El equipo todavía debe fabricar el dispositivo para comprobar si sus resultados se mantienen en sistemas cuánticos reales.

Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts diseñaron una arquitectura de cúbit que busca resolver una tensión central de la computación cuántica: mantener la información estable y, al mismo tiempo, permitir interacciones rápidas con el resto del circuito. El diseño, denominado cúbit brazo, separa esas tareas en dos componentes conectados, una decisión que, según las simulaciones del equipo, podría reducir los errores y aumentar la cantidad de operaciones realizadas antes de que aparezca la decoherencia.

El avance todavía se encuentra en una etapa temprana y no demuestra que exista una computadora cuántica práctica. Sin embargo, el trabajo plantea una ruta para construir sistemas tolerantes a fallas capaces de ejecutar algoritmos largos y complejos, una meta que continúa limitada por la fragilidad de los cúbits y por la dificultad de conectarlos a escala sin perder la información almacenada.

Un cúbit con dos funciones

Los cúbits son las unidades fundamentales de una computadora cuántica y cumplen una función comparable a la de los bits en los equipos tradicionales, aunque operan bajo principios físicos diferentes. Mientras un bit clásico representa valores definidos, un cúbit puede manipular estados cuánticos que resultan extremadamente sensibles al entorno y tienden a degradarse cuando los investigadores los conectan para ejecutar cálculos.

Ese deterioro recibe el nombre de decoherencia y puede introducir errores que se acumulan durante una operación prolongada. Kevin O’Brien, profesor asociado del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación del MIT e investigador principal del Research Laboratory of Electronics, explicó que el objetivo final consiste en corregir los errores a medida que ocurren para hacer posibles cálculos extensos y útiles.

El equipo propuso dividir las responsabilidades del cúbit en dos modos separados pero vinculados. El modo de datos almacena la información y utiliza un diseño conocido por ofrecer una vida útil o tiempo de coherencia prolongado, mientras el modo brazo se dedica a interactuar con otros cúbits, resonadores y elementos electrónicos encargados de controlar o leer el circuito.

Alec Yen, coautor del estudio y doctor en Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación del MIT, describió la arquitectura como una combinación de dos objetivos que normalmente compiten entre sí. En su explicación, el modo de datos aporta estabilidad y el modo brazo permite las conexiones necesarias para la corrección de errores cuánticos, con una organización que pretende evitar que una función perjudique a la otra.

El papel del acoplador quarton

La conexión entre ambos modos representa uno de los elementos centrales del diseño, porque un acoplamiento convencional podría provocar interacciones no deseadas. Esas mezclas pueden acumularse a medida que se incorporan más cúbits, alterando los estados que el circuito necesita conservar y dificultando la construcción de una arquitectura escalable.

Para enfrentar ese problema, los investigadores utilizaron un dispositivo que habían desarrollado previamente y que se conoce como acoplador quarton. El componente permite un acoplamiento no lineal muy fuerte entre el modo de datos y el modo brazo, una propiedad que ayuda a limitar la mezcla no deseada y, al mismo tiempo, mantiene las interacciones necesarias para ejecutar algoritmos cuánticos.

El acoplamiento no lineal describe una relación en la que un cambio en el estado de un componente produce una respuesta en el otro de manera controlada. En la arquitectura propuesta, esa conexión busca que el cúbit pueda comunicarse con distintas partes del circuito con suficiente intensidad antes de que la decoherencia destruya la información, sin convertir esa comunicación en una fuente adicional de inestabilidad.

Jeremy Kline, estudiante de posgrado en Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación y autor principal del estudio, señaló que dedicar el componente brazo al acoplamiento permitió plantear un diseño escalable y resistente a variaciones propias de la fabricación. Stanley Chen, estudiante universitario del MIT, también participa como coautor del artículo publicado en Physical Review Applied.

Resultados de las simulaciones y próximos pasos

En las simulaciones, el cúbit brazo superó a otras arquitecturas de cúbits superconductores en varios indicadores relevantes. El equipo observó un tiempo de coherencia de vanguardia, además de operaciones y lecturas más rápidas, aunque esos resultados corresponden al modelado y no a una prueba experimental de un dispositivo fabricado.

La lectura, conocida en el ámbito técnico como readout, consiste en medir el estado de un sistema cuántico y convertirlo en un valor clásico que pueda interpretar la electrónica. Acelerar ese proceso puede ser tan importante como mejorar la duración de la coherencia, porque una computadora tolerante a fallas necesita medir, detectar y corregir errores repetidamente sin que el procedimiento consuma demasiado tiempo.

La combinación de velocidad y confiabilidad podría aumentar la capacidad de los circuitos para completar cálculos antes de reiniciarse. En términos prácticos, una menor tasa de error permitiría ejecutar más operaciones dentro del mismo intervalo, un requisito indispensable para que los sistemas cuánticos pasen de demostraciones controladas a aplicaciones capaces de abordar problemas demasiado difíciles para las supercomputadoras tradicionales.

Los investigadores reconocen que las simulaciones no pueden revelar todos los obstáculos de una implementación física. O’Brien afirmó que el siguiente paso será fabricar el cúbit brazo, estudiar sus propiedades e integrarlo en sistemas cuánticos reales para comprobar si el comportamiento observado en el modelo se mantiene cuando aparecen imperfecciones de fabricación y condiciones experimentales.

Una apuesta por la computación tolerante a fallas

La corrección de errores cuánticos requiere combinar numerosos elementos con funciones coordinadas, debido a que un cúbit individual puede perder su estado con facilidad. Por esa razón, una arquitectura que aumente la coherencia pero no permita conexiones eficientes tendría una utilidad limitada, mientras que un diseño muy conectado pero inestable podría propagar errores con mayor rapidez.

El trabajo del MIT intenta abordar ambos extremos mediante un proceso de codiseño en el que almacenamiento, interacción y lectura forman parte de una misma arquitectura. Yen calificó el avance como un paso importante porque combina ideas distintas para reunir varias condiciones consideradas necesarias en una computadora cuántica con corrección de errores.

El alcance de la propuesta debe interpretarse con cautela, ya que un resultado favorable en simulaciones no equivale a una demostración de escalabilidad. La fabricación del dispositivo, su integración con otros cúbits y la validación de sus tasas de error determinarán si la arquitectura puede sostener operaciones confiables fuera del entorno teórico.

El proyecto recibió financiamiento parcial de la Army Research Office, la Air Force Office of Scientific Research, una beca Doc Bedard del MIT Center for Quantum Engineering y el Laboratory for Physical Sciences. MIT News informó que el estudio fue elaborado por Kline, Yen, Chen y O’Brien, y que el equipo considera el nuevo cúbit un posible componente básico para futuras computadoras cuánticas tolerantes a fallas.

Imagen original de DiarioBitcoin, creada con inteligencia artificial, de uso libre, licenciada bajo Dominio Público.

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