cúbits físicos y lógicos

En computación cuántica , un cúbit es una unidad de información análoga a un bit (dígito binario) en computación clásica , pero se ve afectado por propiedades mecánicas cuánticas como la superposición y el entrelazamiento , lo que permite que los cúbits sean, en cierto modo, más potentes que los bits clásicos para determinadas tareas . Los cúbits se utilizan en circuitos cuánticos y algoritmos cuánticos compuestos por puertas lógicas cuánticas para resolver problemas computacionales , donde se emplean para la entrada/salida y cálculos intermedios.

Un cúbit físico es un dispositivo físico que se comporta como un sistema cuántico de dos estados , utilizado como componente de un sistema informático . ^{[ 1 ] [ 2 ]} Un cúbit lógico es un cúbit físico o abstracto que funciona según lo especificado en un algoritmo cuántico o circuito cuántico ^{[ 3 ]} sujeto a transformaciones unitarias , tiene un tiempo de coherencia suficientemente largo para ser utilizable por puertas lógicas cuánticas (cf. retardo de propagación para puertas lógicas clásicas). ^{[ 1 ] [ 4 ] [ 5 ]}

Desde el desarrollo de la primera computadora cuántica en 1998, la mayoría de las tecnologías utilizadas para implementar cúbits enfrentan problemas de estabilidad, decoherencia , ^{[ 6 ] [ 7 ]} tolerancia a fallas ^{[ 8 ] [ 9 ]} y escalabilidad . ^{[ 6 ] [ 9 ] [ 10 ]} Debido a esto, se necesitan muchos cúbits físicos para la corrección de errores para producir una entidad que se comporte lógicamente como lo haría un solo cúbit en un circuito o algoritmo cuántico; este es el tema de la corrección de errores cuánticos . ^{[ 3 ] [ 11 ]} Por lo tanto, los cúbits lógicos contemporáneos suelen constar de muchos cúbits físicos para proporcionar la estabilidad, la corrección de errores y la tolerancia a fallas necesarias para realizar cálculos útiles. ^{[ 1 ] [ 7 ] [ 11 ]}

En 2023, investigadores de Google demostraron cómo la corrección de errores cuánticos puede mejorar el rendimiento de los cúbits lógicos al aumentar el número de cúbits físicos. ^{[ 12 ]} Estos resultados mostraron que un cúbit lógico más grande (49 cúbits físicos) tenía una tasa de error menor, de aproximadamente el 2,9 por ciento por ronda de corrección de errores, en comparación con una tasa de aproximadamente el 3,0 por ciento para el cúbit lógico más pequeño (17 cúbits físicos). ^{[ 13 ]}

En 2024, investigadores de IBM crearon un código de corrección de errores cuánticos 10 veces más eficiente que investigaciones anteriores, protegiendo 12 cúbits lógicos durante aproximadamente un millón de ciclos de comprobación de errores utilizando 288 cúbits. ^{[ 14 ] [ 15 ]} El trabajo demuestra la corrección de errores en dispositivos de corto plazo al tiempo que reduce la sobrecarga: el número de cúbits físicos necesarios para mantener bajos los errores. ^{[ 16 ]}

En 2024, Microsoft y Quantinuum anunciaron resultados experimentales que demostraban que se podían crear cúbits lógicos con una cantidad significativamente menor de cúbits físicos. ^{[ 17 ]} El equipo utilizó técnicas de corrección de errores cuánticos desarrolladas por Microsoft y el hardware de iones atrapados de Quantinuum para usar 30 cúbits físicos y formar cuatro cúbits lógicos. Los científicos emplearon un sistema de virtualización de cúbits y la extracción activa de síndromes, también llamada corrección de errores repetida, para lograrlo. ^{[ 18 ]} Este trabajo define cómo lograr cúbits lógicos dentro de la computación cuántica. ^{[ 19 ]}

Se ha demostrado que las operaciones de puertas cuánticas de 1 y 2 bits son universales. ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]} Un algoritmo cuántico puede instanciarse como un circuito cuántico . ^{[ 24 ] [ 25 ]}

Un cúbit lógico especifica cómo debe comportarse un único cúbit en un algoritmo cuántico, sujeto a operaciones de lógica cuántica que pueden construirse a partir de puertas lógicas cuánticas. Sin embargo, las limitaciones de las tecnologías actuales impiden que los sistemas cuánticos de dos estados , que pueden utilizarse como cúbits físicos , codifiquen y retengan esta información de forma fiable durante el tiempo suficiente para que sea útil. Por lo tanto, los intentos actuales de producir ordenadores cuánticos escalables requieren corrección de errores cuánticos, y se deben utilizar múltiples (actualmente muchos) cúbits físicos para crear un único cúbit lógico tolerante a errores. Dependiendo del esquema de corrección de errores utilizado y de las tasas de error de cada cúbit físico, un único cúbit lógico podría estar formado por hasta 1000 cúbits físicos. ^{[ 26 ]}

El enfoque de los cúbits topológicos , que aprovecha los efectos topológicos en la mecánica cuántica , se ha propuesto como necesitando muchos menos o incluso un solo cúbit físico por cúbit lógico. ^{[ 10 ]} Los cúbits topológicos se basan en una clase de partículas llamadas aniones que tienen un espín que no es ni semi-entero ( fermiones ) ni entero ( bosones ), y por lo tanto no obedecen ni la estadística de Fermi-Dirac ni la estadística de Bose-Einstein del comportamiento de las partículas. ^{[ 27 ]} Los aniones exhiben simetría de trenza en sus líneas de mundo , que tiene propiedades deseables para la estabilidad de los cúbits. En particular, los aniones deben existir en sistemas restringidos a dos dimensiones espaciales o menos, según el teorema de espín-estadística , que establece que en 3 o más dimensiones espaciales, solo son posibles fermiones y bosones. ^{[ 27 ]} En 2025, los investigadores hicieron progreso en la computación cuántica topológica al medir con éxito el estado de partículas especiales llamadas modos cero de Majorana en un solo paso. ^{[ 28 ]}

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