Investigadores logran puertas cuánticas universales usando aniones exóticos en hardware real

Investigadores han logrado un conjunto universal de puertas cuánticas mediante el trenzado y la fusión de cuasipartículas exóticas llamadas aniones no abelianos en un procesador cuántico real, un resultado publicado en Nature el 15 de julio. El experimento, llevado a cabo en el procesador de iones atrapados H2 de 54 cúbits de Quantinuum, ofrece un nuevo camino hacia computadoras cuánticas tolerantes a fallos que son intrínsecamente resistentes a los errores.bioengineer+1

Un ingrediente faltante para la computación topológica

La computación cuántica topológica ha prometido durante mucho tiempo una forma de proteger la información cuántica del ruido local que afecta a las máquinas actuales, codificando datos en propiedades globales de estados exóticos de la materia en lugar de en cúbits individuales frágiles. Sin embargo, para las fases no abelianas más simples, se sabía que el trenzado de aniones por sí solo era insuficiente para la computación universal: algunas puertas permanecían fuera de alcance.scienmag+1

El nuevo estudio, dirigido por Chiu Fan Bowen Lo de la Universidad de Harvard junto con colaboradores de Quantinuum, la Universidad de Chicago y otras instituciones, cierra esa brecha tratando la fusión de aniones —la unión de dos aniones y la lectura del resultado— como un paso computacional activo en lugar de una propiedad pasiva. "Demostramos un conjunto de puertas universal", dijo Ruben Verresen de la Universidad de Chicago, explicando que almacenar información en grados de libertad emergentes similares a los quarks y manipularlos "permite esencialmente cualquier computación cuántica".arxiv+1

Construyendo una computadora topológica en hardware real

El equipo preparó una función de onda ordenada topológicamente basada en el doble cuántico de S3, el grupo no abeliano más pequeño, a través de 54 cúbits en el procesador H2. Codificaron cútrits lógicos —unidades cuánticas de tres niveles— en el espacio de fusión no local de aniones de flujo no abelianos. El trenzado de estos aniones produjo operaciones de entrelazamiento, mientras que la fusión produjo operaciones de medición distintas; juntos, estos primitivos pueden en principio sintetizar cualquier transformación cuántica.quantumzeitgeist+3

Para validar el enfoque, los investigadores prepararon topológicamente un estado mágico, un recurso esencial para los esquemas de computación cuántica tolerantes a fallos. También demostraron el atrapamiento de un solo anión no abeliano en el toro, evidenciando las reglas de fusión cíclica que sustentan la universalidad.inspirehep+2

De la teoría a la escalabilidad

El resultado se basa en hitos anteriores de Quantinuum, incluida la primera creación y manipulación de aniones no abelianos en el H2 en 2023, trabajo publicado posteriormente en Nature en 2024. El nuevo artículo va más allá al mostrar que los órdenes topológicos mínimamente no abelianos pueden prepararse de manera eficiente y ser computacionalmente universales, una combinación que no se había demostrado en hardware.pubmed.ncbi.nlm.nih+3

Persisten las limitaciones: el número de cúbits y los tiempos de coherencia todavía limitan la escala de los estados topológicos alcanzables. El trabajo futuro se centrará en escalar los tamaños del sistema para estudiar los mecanismos de error lógico y las estrategias de decodificación. Aun así, la demostración replantea lo que se requiere para la computación cuántica topológica universal: no solo estadísticas de aniones más ricas, sino una fusión controlada en dispositivos reales.quantumzeitgeist