Computación cuántica está en la cúspide de una gran revolución, un cambio que podría redefinir los límites de la computación y la resolución de problemas. En el corazón de esta revolución está la transición. «Era de los qubits lógicos« En el que los errores en los ordenadores cuánticos se reducirán drásticamente. Para comprender la importancia de este desarrollo, primero debemos comprender los componentes básicos de las computadoras cuánticas (qubits físicos) y su susceptibilidad a errores.
¿Qué es un Qubit lógico?
Un qubit lógico se codifica utilizando una combinación de qubits físicos para protegerlo contra errores. A diferencia de un qubit físico, que representa hardware cuántico real, un qubit lógico es una abstracción de alto nivel utilizada en la computación cuántica tolerante a fallas. Proporciona una forma de realizar cálculos cuantitativos fiables incluso en presencia de ruido y errores. Se puede considerar un qubit lógico como una versión cuántica de un código de repetición clásico en el que la información de un único qubit físico se distribuye entre varios qubits físicos, creando cierta redundancia y protección contra errores.
El problema de los qubits
Los qubits (bits cuánticos) tienen dos propiedades importantes para su poder computacional. La primera es que existen en un estado de superposición, donde pueden ser cero y uno al mismo tiempo. El segundo es el entrelazamiento, una condición en la que múltiples objetos, como electrones o un par de fotones, comparten un estado cuántico único e indistinguible. Estas propiedades otorgan a las computadoras cuánticas la capacidad de resolver algunos problemas que se pensaban inconcebibles. Estos qubits físicos, independientemente de su implementación, ¿qué circuitos superconductores, El ion atraídoo átomo neutralson notoriamente sensibles y propensos a errores.
Estos errores surgen de una variedad de factores, incluido el ruido ambiental, mecanismos de control imperfectos y la fragilidad intrínseca de los estados cuánticos. cobb‘La sensibilidad al error limita significativamente la utilidad práctica de las computadoras cuánticas. Incluso con un nombre Con una fidelidad técnica del 99,9 por ciento, todavía se produce un error en una de cada 1.000 operaciones. En el ámbito de la computación cuántica, donde los algoritmos complejos requieren miles o millones de operaciones de qubits, dichas tasas de error son prohibitivamente altas. Los cálculos más largos se vuelven prácticamente imposibles sin acumular errores importantes que hagan que los resultados no sean fiables.
Por el contrario, los ordenadores clásicos muestran una tasa de error. Gracias a una tecnología de semiconductores altamente confiable y a sofisticadas técnicas de corrección de errores, las computadoras clásicas tienen una tasa de error de menos de un error por quintillón de operaciones (es decir, uno de cada 10).18). Esta confiabilidad es la base de la informática moderna, que permite todo, desde simples cálculos matemáticos hasta complejas simulaciones y procesamiento de datos.
Cómo los Qubits lógicos resuelven errores en la computación cuántica
Para que las computadoras cuánticas sean verdaderamente eficientes y competitivas con respecto a las clásicas, necesitamos mejorar drásticamente sus tasas de error. Sin embargo, es poco probable que el simple aumento de la fidelidad de los cubos físicos solucione esta importante brecha. Aquí es donde entran en juego la corrección de errores cuánticos y el concepto de qubits lógicos.
Los qubits lógicos son similares al código repetido utilizado en la informática tradicional. En un código de partición clásico, la información se copia en varios bits para evitar errores. Desafortunadamente, el teorema de la física de no clonación simplemente prohíbe copiar qubits. Por tanto, en la corrección de errores cuánticos, el estado de un qubit lógico se distribuye entre muchos qubits físicos. Esta redundancia permite la detección y corrección de errores que pueden ocurrir en qubits físicos individuales, preservando así la integridad general de la información cuántica y reduciendo sustancialmente la tasa de errores.
¿Qué es el teorema de la no clonación en mecánica cuántica?
El teorema de la no clonación, un principio importante de la mecánica cuántica, afirma que la replicación exacta de un estado cuántico desconocido es imposible. En cambio, en la informática clásica los datos se pueden clonar con precisión. Esto presenta un desafío en la computación cuántica, especialmente para la corrección de errores, ya que los métodos tradicionales que dependen de la replicación de datos no son aplicables.
Por el contrario, en la comunicación cuántica, el teorema aumenta la seguridad: cualquier intento de copiar el estado cuántico está fuertemente protegido contra la detección debido al inevitable error causado por la medición, debido al inevitable error en las claves criptográficas utilizadas.
Con qubits lógicos, podemos empezar a aprovechar el verdadero poder potencial de las computadoras cuánticas. Al agrupar varios qubits físicos para formar un único qubit lógico, la corrección de errores cuánticos introduce un nivel de tolerancia al error. Si uno o más qubits físicos sufren un error, el estado general del qubit lógico aún se puede conservar y determinar en función del estado de los qubits físicos restantes sin cambios. Este enfoque aumenta significativamente la estabilidad y confiabilidad de las computadoras cuánticas, permitiéndoles realizar cálculos más complejos y más largos sin errores. En términos generales, cuantos más qubits físicos haya en cada qubit lógico, menor será la tasa de error.
El campo de los qubits lógicos y la corrección de errores cuánticos sigue siendo un área de investigación en curso. Quedan dudas sobre cuál es el código de corrección de errores más eficiente, la proporción óptima de qubits físicos y lógicos y los desafíos prácticos de implementar estos sistemas. Los investigadores continúan explorando diversas estrategias y diseños para aumentar la eficacia de los qubits lógicos.
¿Estamos entrando en la era de los qubits lógicos?
A pesar de estos desafíos, hallazgos recientes como estos Universidad de Harvard (en colaboración con QuEra Computing, MIT, NIST y UMD) Marque el comienzo de la era de los qubits lógicos. harvard‘El éxito de Google al realizar algoritmos cuánticos complejos con corrección de errores en 48 qubits lógicos representa un hito importante en la computación cuántica, ya que informes anteriores han mostrado solo uno, dos o, a veces, tres qubits lógicos. Este avance no sólo demuestra la viabilidad de la tecnología, sino que también nos acerca un paso importante a la realización de computadoras cuánticas que sean verdaderamente útiles y efectivas. Este trabajo es ahora la base de nuevos ordenadores cuánticos con corrección de errores.
IBM Y Harvard/Quera También se ha demostrado que se pueden crear qubits lógicos más eficientes (es decir, se necesitan menos qubits físicos) si cada qubit físico puede interactuar con un mayor número de qubits cercanos. Esto es importante porque, con este proceso, una máquina con una cierta cantidad de qubits físicos puede admitir más qubits lógicos, lo que le permite realizar cálculos más complejos de los que serían posibles con menos qubits lógicos.
En términos de construcción de computadoras cuánticas prácticas, es importante la cuestión de cuántos qubits lógicos son necesarios para lograr aplicaciones verdaderamente útiles. Según un artículo de Microsoft «Evaluar las necesidades para medir los beneficios cuantitativos prácticos,« La cantidad de qubits lógicos necesarios para aplicaciones cuánticas efectivas depende del caso de uso específico. Por ejemplo, tareas como simular reacciones químicas complejas o resolver problemas de optimización a gran escala requieren de cientos a miles de qubits lógicos. El artículo proporciona un marco para estimar los recursos cuánticos necesarios para diferentes aplicaciones, teniendo en cuenta factores como la tasa de error y la complejidad computacional.
Esta investigación destaca la importancia de desarrollar arquitecturas de qubits lógicos escalables y robustas, ya que alcanzar la cantidad necesaria de qubits lógicos es fundamental para desbloquear el potencial transformador de la computación cuántica. Dentro de unos años, a los usuarios puede que no les importe cuántos qubits físicos hay en una computadora cuántica (al igual que no les importa cuántos transistores componen un teléfono moderno), sino más bien la cantidad de qubits lógicos de corrección de errores. Esto se debe a que la cantidad de qubits lógicos con corrección de errores determina la complejidad y profundidad de los cálculos que se pueden realizar, independientemente de cómo un qubit lógico esté compuesto de qubits físicos.
El Qubit lógico puede desbloquear la ventaja cuántica
La transición a la era de los qubits lógicos es un avance fundamental en la búsqueda de aprovechar todo el poder de la computación cuántica. Al abordar el desafío fundamental de la corrección de errores, los qubits lógicos allanan el camino para computadoras cuánticas más confiables, estables y prácticas. A medida que continúe la investigación en esta área, podemos esperar que la computación cuántica comience a hacer contribuciones significativas a una variedad de campos, incluido el descubrimiento de fármacos, los problemas de optimización, la inteligencia artificial y más. La era de la lógica Cobbs no es sólo un hito científico; eso‘Un presagio del potencial transformador que encierra la computación cuántica.
