UN GATO CUÁNTICO QUE SE QUEDA QUIETO DURANTE MINUTOS

Un ordenador cuántico solo será útil si puede corregir sus propios errores. Eso cuesta muchísimo hardware, salvo que los errores estén desequilibrados. Si un tipo de error casi nunca se produce, el código corrector solo tiene que combatir el otro, y puede ser mucho más sencillo.

Los llamados cúbits gato (cat qubits) están diseñados para estar desequilibrados. Almacenan la información en un circuito superconductor que contiene un campo de microondas, en forma de dos oscilaciones opuestas de ese campo. Convertir un 0 en un 1 —una inversión de bit (bit flip)— significa saltar de una oscilación a la otra. Cuantos más fotones hay en el campo, más separados están los dos estados: las inversiones de bit se vuelven exponencialmente más raras con el número de fotones, mientras que el otro error, la inversión de fase (phase flip), solo crece de forma proporcional.

Dos valles, un punto débil

Hay dos maneras de mantener a un gato en su sitio. Los gatos «disipativos» son empujados constantemente de vuelta hacia sus dos estados por un compañero con pérdidas; ya aguantan más de 100 segundos. Los gatos «de Kerr», en cambio, se asientan en un paisaje energético con dos valles separados por una barrera, creado al bombear un circuito no lineal. Su ventaja es un control rápido. Su debilidad: inversiones de bit al cabo de solo milisegundos; una mejora reciente alcanzó 3,6 ms, todavía a cinco órdenes de magnitud de distancia.

La razón es que nada elimina la energía parásita. El ruido lanza al gato a estados excitados dentro de su valle, y desde ahí resulta mucho más fácil deslizarse al otro valle. Peor aún, con un bombeo intenso, el cúbit suele entrar en resonancias con su circuito de lectura que dañan gravemente la protección.

El circuito de lectura como desagüe

Sergey Hazanov, Mikhail Svintsov y su equipo del Instituto Weizmann de Ciencias, en Israel, le dieron la vuelta a este problema. La misma interacción no lineal que excava los dos valles también conecta las excitaciones dentro de cada valle con el resonador de lectura, un circuito que deja escapar fotones constantemente hacia la línea de medida.

Cuando la energía de una excitación coincide con la diferencia entre el bombeo y el resonador de lectura —una resonancia «autoparamétrica»—, la excitación se transfiere en forma de fotón de lectura, que escapa. El 0 o el 1 en sí queda intacto. Un segundo desagüe aparece a través del filtro situado en la línea de salida.

El equipo lo midió directamente: en resonancia, el primer estado excitado se vacía tan rápido como lo permite el circuito de lectura, y los estados superiores se vacían en cascada. Su chip —aluminio sobre silicio, enfriado a 10 milikelvin— no necesitó ningún bombeo de enfriamiento adicional ni ningún elemento de circuito extra.

Siete órdenes de magnitud

Lejos de las resonancias, las inversiones de bit seguían llegando en milisegundos. Cerca de ellas, la protección se disparó:

• 519 milisegundos en la resonancia del resonador de lectura (22,4 fotones);
• 15,4 segundos entre las dos resonancias (27,3 fotones);
• ningún decaimiento medible del estado almacenado dentro de una ventana de medida de 100 segundos en la resonancia del filtro (33,8 fotones), lo que significa un tiempo de inversión de bit superior a 100 segundos.

Contando las raras inversiones en largos registros de lecturas repetidas —62 inversiones en 15 horas—, el equipo estimó el tiempo de inversión de bit en ese último punto: 448 ± 57 segundos, más de cinco órdenes de magnitud por encima de los gatos de Kerr anteriores.

Que las inversiones de bit disminuyan exponencialmente con el número de fotones es una predicción definitoria de los gatos de Kerr, pero nunca se había observado. Aquí sí: cada fotón adicional multiplicó el tiempo de inversión de bit por 1,82 ± 0,06, desde 52 microsegundos con 7,4 fotones hasta 448 segundos con 33,8, unos siete órdenes de magnitud, sin ningún signo de estancamiento.

Puertas rápidas, lectura suave

La protección no vale nada si el cúbit ya no puede usarse. Una rotación básica del cúbit enfriado tardó 8 nanosegundos, y mantener encendido todo el tiempo el bombeo de esa rotación no acortó el tiempo de inversión de bit (0,65 s con él, 0,64 s sin él). Leer el cúbit en 4 microsegundos provocó una inversión solo 5 veces de cada 10 millones de lecturas.

El otro error

El precio es la inversión de fase. Sigue el límite esperado, fijado por la pérdida de fotones individuales, de aproximadamente T₁/(2n̄), donde T₁ es el tiempo de vida de los fotones del circuito (unos 8 microsegundos) y n̄ el número de fotones. Con 24,2 fotones, el gato resistió 3,55 segundos frente a las inversiones de bit, pero solo 113 nanosegundos frente a las inversiones de fase: un sesgo de unos 30 millones a uno.

El equipo señala dos maneras de reducir la diferencia. En otros trabajos ya se han demostrado tiempos de vida de fotones de 55,7 microsegundos, unas siete veces más largos que aquí. Y una circuitería más fría dejaría menos excitaciones parásitas, lo que quizá daría la misma protección con menos fotones y, por tanto, menos inversiones de fase.