Los patrones de mosaicos que no se repiten pueden proteger la información cuántica

Esta extrema fragilidad puede hacer que la computación cuántica parezca imposible. Pero en 1995, el matemático aplicado Peter Shor Descubrir Una forma inteligente de almacenar información cuántica. Su codificación tenía dos características principales. En primer lugar, puede tolerar errores que sólo afectan a qubits individuales. En segundo lugar, venía con un procedimiento para corregir los errores cuando se producen, evitando que se acumulen y descarrilen el proceso de cálculo. El descubrimiento de Shor fue el primer ejemplo de un código cuántico de corrección de errores, y sus propiedades clave son el sello distintivo de todos esos códigos.

La primera propiedad surge de un principio simple: la información confidencial es menos vulnerable cuando se divide. Las redes de espías utilizan una estrategia similar. Cada espía sabe muy poco sobre la red en su conjunto, por lo que la organización permanece segura incluso si atrapan a un individuo. Pero los códigos de corrección de errores cuánticos llevan esta lógica al extremo. En una red de espionaje cuántico, ningún espía sabría nada en absoluto, pero juntos sabrían mucho.

Cada código de corrección de errores cuánticos es una receta específica para distribuir información cuántica entre muchos qubits en una superposición colectiva. Este procedimiento convierte efectivamente una serie de qubits físicos en un único qubit virtual. Repita el proceso varias veces con un gran conjunto de qubits y obtendrá muchos qubits virtuales que podrá utilizar para realizar cálculos.

Los qubits físicos que componen cada qubit virtual son como esos desprevenidos espías cuánticos. Mida cualquiera de ellos y no sabrá nada sobre el estado del qubit virtual del que forma parte, una propiedad llamada indistinguibilidad local. Dado que cada qubit físico no codifica ninguna información, los errores en los qubits individuales no corromperán el cálculo. La información importante está en todas partes de una forma u otra, pero en ningún lugar en particular.

“No se puede vincular a ningún qubit individual”, dijo Cubitt.

Todos los códigos de corrección de errores cuánticos pueden acomodar al menos un error sin ningún impacto en la información codificada, pero eventualmente todos abandonarán a medida que se acumulen los errores. Y aquí comienza la segunda característica de los códigos de corrección de errores cuánticos, que es la corrección de errores real. Esto está estrechamente relacionado con la indistinguibilidad local: dado que los errores en los qubits individuales no destruyen ninguna información, siempre es posible Revertir cualquier error Utilizando procedimientos establecidos para cada código.

Tomando el pelo

zhili, investigador postdoctoral en el Instituto Periférico de Física Teórica de Waterloo, Canadá, conocía bien la teoría de la corrección de errores cuánticos. Pero el tema estaba lejos de su mente cuando inició una conversación con su colega. Latham Boyle. Era el otoño de 2022 y los dos físicos se encontraban en un transbordador nocturno desde Waterloo a Toronto. Boyle, un experto en mosaicos no cíclicos que vivía en Toronto en ese momento y ahora trabaja en la Universidad de Edimburgo, era una cara familiar en esos transbordadores, que a menudo se atascan en el tráfico intenso.

“Normalmente pueden sentirse bastante miserables”, dijo Boyle. “Esto fue lo mejor de todos los tiempos”.

Antes de esa fatídica noche, Lee y Boyle conocían el trabajo del otro, pero sus áreas de investigación no se superponían directamente y nunca habían tenido una conversación cara a cara. Pero, al igual que innumerables investigadores en campos no relacionados, Lee estaba interesado en los mosaicos no periódicos. “Es muy difícil no estar interesado”, dijo.