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Una molécula ejecuta un código cuántico de corrección de errores

Investigadores del Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón y dos universidades han creado una molécula magnética capaz de realizar un sencillo algoritmo cuántico, un código que protege al cúbit o bit cuántico del ruido. El avance se ha logrado en el marco de un proyecto europeo para fabricar un procesador cuántico basado en este tipo de moléculas.

Ilustración de la implementación del algoritmo cuántico en la nueva molécula magnética. En verde, el átomo de cerio cuyo espín codifica la información cuántica. En rojo, los dos átomos de erbio que 'alertan' sobre la existencia de errores y permiten recuperar la información. / Chemical Science (que ha destacado el estudio como Pick of the Week)

Hacer realidad la computación cuántica se enfrenta a importantes retos tecnológicos. Uno de los más importantes es la extrema fragilidad de los estados cuánticos (las funciones de onda) frente al ruido externo.

Los denominados códigos de protección de errores ofrecen una solución a este problema a costa de multiplicar el número de cúbits (los equivalentes a los bits en el mundo cuántico) que codifican cada unidad de información y, por tanto, las también frágiles interconexiones entre ellos.

Esta molécula magnética con erbio y cerio es capaz de realizar un algoritmo cuántico, un código que protege la información cuántica almacenada en cada molécula, un cúbit, del ruido externo 

Por este motivo, crear procesadores cuánticos capaces de corregir errores sin necesitar arquitecturas extremadamente complejas se ha convertido en uno de los objetivos prioritarios en este campo. En concreto, la integración de algoritmos a escala molecular promete contribuir a incrementar la potencia de los futuros ordenadores cuánticos.

En este contexto, investigadores del Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA, centro mixto del CSIC y la Universidad de Zaragoza) y las universidades de Barcelona y Parma (Italia) han demostrado que es posible encapsular el algoritmo más sencillo de este tipo en una única molécula magnética.

El equipo ha desarrollado una que es capaz de realizar un sencillo, pero crucial, algoritmo cuántico. Se trata de un código que protege la información cuántica almacenada en cada molécula, un cúbit, del ruido externo. El trabajo se publica en la revista Chemical Science, que lo destaca en portada y como “Pick of the Week” (elección de la semana).

Los investigadores del departamento de química inorgánica de la Universidad de Barcelona sintetizaron las moléculas usando tres átomos de tierra rara (dos átomos de erbio y uno de cerio) y los experimentos realizados en el INMA estudiaron en detalle sus estados de espín (una de las propiedades de la partículas relacionada con su momento angular).

Los resultados muestran que cada uno de ellos codifica un cúbit diferente, débilmente acoplado a sus vecinos, y permiten caracterizar tanto su respuesta a pulsos de microondas como su sensibilidad al ruido.

Usando esta información, los científicos del departamento de física de la Universidad de Parma simularon con éxito la aplicación de un protocolo de corrección de errores en el que el espín de uno de los átomos codifica la información, mientras que los otros dos permiten detectar la aparición de errores y corregirlos. El espín del átomo de cerio codifica la información cuántica, y los dos átomos de erbio 'alertan' sobre la existencia de errores y permiten recuperar la información.

Nuevo prototipo de procesador cuántico

Este trabajo se enmarca en un proyecto liderado desde el INMA, cuyo objetivo es construir un prototipo de un procesador cuántico basado en moléculas magnéticas artificiales integradas en circuitos superconductores que controlan, leen y comunican entre sí cada una de estas unidades básicas.

Esta iniciativa está apoyada por dos proyectos de colaboración internacional, el proyecto SUMO financiado en 2018 por el programa QUANTERA, una parte del programa Flagship europeo en tecnologías cuánticas, y el proyecto FATMOLS de la convocatoria europea FET-OPEN que inició su andadura en marzo de este año.

 El avance se ha logrado en el marco de un proyecto europeo para construir un procesador cuántico basado en moléculas magnéticas

Con una financiación global de más de 3 millones de euros, FATMOLS cuenta con la participación de 9 prestigiosas instituciones académicas de 5 países, así como de dos socios industriales de primer nivel: la empresa Keysight, líder mundial en electrónica de micro-ondas, y el gigante de la informática IBM.

La posibilidad de llevar a cabo pequeños algoritmos a escala molecular, como muestra el presente trabajo, es una de las ventajas más importantes de esta propuesta, puesto que permite reducir el número de comunicaciones entre diferentes puntos del circuito cuántico y, por tanto, su complejidad.

Asimismo, aumenta enormemente la capacidad de integrar más cúbits en un chip, lo que se traduce en una mayor potencia del procesador. La combinación de ambas características supone una ventaja competitiva frente a esquemas basados en bits cuánticos superconductores a la hora de abordar simulaciones y cálculos cuánticos con aplicación y valor añadido real. 

Referencia::

Emilio Macaluso, Marcos Rubín, David Aguilà, Alessandro Chiesa, Leoní Barrios, Jesús I. Martínez, Pablo J. Alonso, Olivier Roubeau, Fernando Luis, Guillem Aromí and Stefano Carretta. “A heterometallic [LnLn’Ln] lanthanide complex as a qubit with embedded quantum error correction”. Chemical Science, 9 de Septiembre de 2020.

Fuente: INMA
Derechos: Creative Commons.
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