Los investigadores Ludovico Lami (QuSoft, Universidad de Ámsterdam) y Mark M. Wilde (Cornell) lograron avances significativos en la computación cuántica al derivar una fórmula que predice los efectos del ruido ambiental. Esto es crucial para diseñar y construir computadoras cuánticas capaces de funcionar en nuestro mundo imperfecto.

La coreografía de la computación cuántica

La computación cuántica utiliza los principios de la mecánica cuántica para realizar cálculos. A diferencia de las computadoras clásicas, que usan bits que pueden ser 0 o 1, las computadoras cuánticas usan bits cuánticos, o qubits, que pueden estar en una superposición de 0 y 1 simultáneamente.

Esto permite que las computadoras cuánticas realicen ciertos tipos de cálculos mucho más rápido que las computadoras clásicas. Por ejemplo, una computadora cuántica puede factorizar números muy grandes en una fracción del tiempo que tardaría una computadora clásica.

Si bien uno podría atribuir ingenuamente tal ventaja a la capacidad de una computadora cuántica para realizar numerosos cálculos en paralelo, la realidad es más complicada. La función de onda cuántica de la computadora cuántica (que representa su estado físico) posee varias ramas, cada una con su propia fase. Se puede pensar en una fase como la posición de la manecilla de un reloj, que puede apuntar en cualquier dirección en la esfera del reloj.

Al final de su cálculo, la computadora cuántica recombina los resultados de todos los cálculos que realizó simultáneamente en diferentes ramas de la función de onda en una sola respuesta. « Las fases asociadas a las diferentes ramas juegan un papel clave en la determinación del resultado de este proceso de recombinación, al igual que la sincronización de los pasos de una bailarina juega un papel clave en la determinación del éxito de una actuación de ballet », explica Lami.

Ruido ambiental disruptivo

Un obstáculo importante para la computación cuántica es el ruido ambiental. Dicho ruido puede compararse con un pequeño demonio que altera la fase de diferentes ramas de la función de onda de forma impredecible. Este proceso de manipulación de la fase de un sistema cuántico se denomina desfasado y puede ser perjudicial para el éxito de un cálculo cuántico.

El desfase puede ocurrir en dispositivos cotidianos como las fibras ópticas, que se utilizan para transferir información en forma de luz. Los rayos de luz que viajan a través de una fibra óptica pueden tomar diferentes caminos; dado que cada camino está asociado a una fase específica, el desconocimiento del camino tomado equivale a un ruido de desfase efectivo.

Lami y Wilde analizan un modelo, llamado canal de desfase bosónico, para estudiar cómo el ruido afecta la transmisión de información cuántica. Representa el desfase que actúa sobre un solo modo de luz en una longitud de onda y polarización definidas.

El número que cuantifica el efecto del ruido en la información cuántica es la capacidad cuántica, que es el número de qubits que se pueden transmitir de forma segura por uso de una fibra. La nueva publicación proporciona una solución analítica completa al problema de calcular la capacidad cuántica del canal de desfase bosónico, para todas las formas posibles de ruido de desfase.

Los mensajes más largos superan los errores

Para superar los efectos del ruido, se puede incorporar redundancia en el mensaje para garantizar que la información cuántica aún se pueda recuperar en el extremo receptor. Esto es similar a decir « Alfa, Beta, Charlie » en lugar de « A, B, C » cuando se habla por teléfono. Aunque el mensaje transmitido es más largo, la redundancia asegura que se entienda correctamente.

El nuevo estudio cuantifica exactamente cuánta redundancia debe agregarse a un mensaje cuántico para protegerlo del ruido de desfase. Esto es significativo porque permite a los científicos cuantificar los efectos del ruido en la computación cuántica y desarrollar métodos para superar estos efectos.