La revolución en la computación cuántica está cada vez más cerca, pero la demanda de computadoras con corrección de errores continúa obstaculizando su desarrollo.
A través de una colaboración liderada por la Universidad de Cornell con IBM, los investigadores han avanzado esta revolución un paso más, logrando dos avances importantes. Primero, demostraron una implementación resistente a errores de puertas cuánticas universales (componentes básicos de la computación cuántica). Segundo, mostraron la poderosa capacidad de las computadoras cuánticas topológicas para resolver problemas que las computadoras tradicionales no pueden.
En el artículo publicado en Nature Communications titulado "Realización de la condensación de red de cuerdas: Tejido de anyones de Fibonacci para puertas universales y muestreo de polinomios de color", investigadores de IBM, Universidad de Cornell, Universidad de Harvard e Instituto Weizmann de Ciencias realizaron una colaboración internacional, demostrando por primera vez la capacidad de codificar información mediante el tejido (mover en un orden específico) de anyones de condensación de red de cuerdas de Fibonacci (Fib SNC) en un espacio bidimensional.
"Esto es en realidad el primer paso hacia la computación cuántica topológica universal o la computación tolerante a fallos", dijo la autora principal de comunicaciones, profesora de física de la Facultad de Artes y Ciencias Eun-Ah Kim de Hans A. Bethe.
"La bidimensionalidad es crucial para mejorar la tolerancia a fallos y la resistencia a errores. Si todo sucede solo en una dimensión, es imposible lograr tolerancia a fallos", dijo el coautor de comunicaciones y profesor asistente de física (A&S) Chao-Ming Jian.
Los investigadores demostraron el poder de su método en un problema conocido (no inventado para el experimento). A pequeña escala, pueden verificar los resultados de la computadora cuántica con una computadora clásica, como prueba de principio.
El problema elegido involucra polinomios de color, que surgen de un problema de conteo en un gráfico que contiene nodos de diferentes colores y algunas reglas simples. Una computadora clásica puede calcular el número de coloraciones permitidas en un gráfico simple con pocos nodos y algunos colores. Pero una vez que el gráfico se vuelve grande, con muchos nodos y conexiones, el número de posibilidades crece exponencialmente. Una computadora clásica no puede calcular tantas posibilidades.
El protocolo utilizado por los investigadores —muestreo de polinomios de coloridad para un conjunto de gráficos diferentes, donde el número de colores es la proporción áurea— es escalable, por lo que otros investigadores con computadoras cuánticas pueden replicarlo a mayor escala.
"Alguien puede seguir nuestro procedimiento y hacer cosas que tradicionalmente eran imposibles", dijo Kim. "Lo vemos como un desafío para cualquiera".
Investigar sistemas cuánticos de muchos cuerpos ordenados topológicamente (sistemas que contienen grandes cantidades de partículas cuánticas interactuantes) y sus aplicaciones en la computación cuántica es un gran desafío para los investigadores cuánticos. Kim indicó que poder utilizar recursos, experiencia e insights de científicos de todo el mundo (incluyendo industria y academia) fue crucial para el éxito de su equipo.
Ella dijo: "Los investigadores de IBM jugaron un rol crucial en la comprensión de la teoría de estados topológicos y en el diseño de protocolos para implementarla en computadoras cuánticas, que son precisamente los desarrolladores de estas. Nuestros otros colegas hicieron contribuciones importantes en la simulación de hardware, combinando teoría y experimento, y determinando nuestra estrategia".
