El Empleo de Estados del Gato Cuántico Podría Ayudar a Lograr una Computación Cuántica Tolerante a Fallos

^{Crédito: Science/AAAS} 

^{Por: Amal Pushp, Físico afiliado de Resonance Science Foundation} 

Los estados cuánticos suelen representar las posibles condiciones de un sistema cuántico en términos de una entidad matemática. Por ejemplo, el espín de un electrón puede ser ascendente o descendente, por lo que existen dos estados cuánticos que pueden representarse como una superposición utilizando la notación de Bra-Ket conocida como la de Dirac.  

En principio, los estados cuánticos se clasifican en dos tipos: estados puros y estados mixtos. Un estado puro es principalmente el estado natural de un sistema cuántico y lleva consigo la información exacta del sistema global. Por otro lado, un estado mixto tiene información limitada sobre un sistema cuántico concreto y suele ser un conjunto de probabilidades. En cuanto a su representación, los estados puros se denotan mediante un rayo en un espacio de Hilbert sobre números complejos, mientras que los estados mixtos se representan mediante matrices de densidad.

Inspirándose en el infame experimento del gato de Schrödinger, los físicos han determinado un estado cuántico especial y lo han denominado estados del gato. Una característica única de los estados del gato es que pueden escribirse como superposiciones de dos estados con fases opuestas. En otras palabras, son estados que pueden representarse como una combinación lineal de dos situaciones completamente opuestas, por ejemplo: vivo y muerto, como en el escenario del gato de Schrödinger.  

Es bien sabido que los computadores clásicos se basan fundamentalmente en bits que intercambian información mediante los dígitos binarios 0 ó 1. Sin embargo, los computadores cuánticos se construyen a partir de qubits que técnicamente se encuentran en un estado superpuesto. Aunque los computadores cuánticos son más significativos que los clásicos en múltiples aspectos, corren un mayor riesgo de cometer errores, ya que en uno cuántico hay fuentes de error adicionales que surgen principalmente del empleo de los qubits.

^{Función de Wigner para un estado del gato de Schrödinger. Las formas de campana representan los estados "vivo" y "muerto" posibles para el "gato" y las oscilaciones entre ellos indican la coherencia cuántica entre estos estados (es decir, la clásica afirmación "tanto vivo como muerto"). Una función de Wigner similar sin estos términos de interferencia representaría un estado con una probabilidad clásica de lanzar una moneda al aire de estar vivo o muerto, pero no ambos. La presencia de los términos de interferencia indica que esta función de Wigner representa un estado que está en ambos estados ("vivo y muerto") al mismo tiempo (una superposición). Fuente de la figura y la descripción: Physical Review A}  

Ahora, un trabajo reciente de investigadores del Centro RIKEN de Computación Cuántica demuestra que el uso de estados del gato podría ayudar a conseguir tolerancia a fallos en la computación cuántica [1]. Se espera que cuando se construya un computador cuántico a partir de qubits que funcionen con estados del gato, se puedan conseguir puertas cuánticas tolerantes a fallos para conectar los qubits en una red que sea esencialmente no local. 

La tolerancia a fallos puede definirse como la capacidad de un sistema para continuar su funcionamiento en una circunstancia en la que un error provoca un fallo en uno o varios de sus componentes. Las aplicaciones prácticas de esta propiedad son múltiples y han dado lugar a la aparición de numerosos subcampos de investigación dentro de la física cuántica, como la corrección cuántica de errores, los algoritmos cuánticos y la supremacía cuántica, entre otros. 

Las aplicaciones de la computación cuántica tolerante a fallos son muy diversas, ya que permitiría realizar cálculos que antes no eran factibles mediante técnicas estándar. También permitiría buscar en bases de datos de forma más eficiente que los ordenadores estándar, lo que sería posible mediante la ejecución de algoritmos de búsqueda cuántica.

Ye-Hong Chen, autor correspondiente del estudio, explica: "Supongamos que buscas una llave que abra una caja entre 100 llaves. Por término medio, con un algoritmo de búsqueda convencional habría que probar 50 llaves para identificar la que abre la caja. Pero con el algoritmo de búsqueda cuántica la media es de sólo 10 intentos".

Referencias 

[1] Ye-Hong Chen et al, Fault-Tolerant Multiqubit Geometric Entangling Gates Using Photonic Cat-State Qubits, Phys. Rev. App. (2022). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.18.024076