¿Medir lo imposible? Físicos descifran el código de la velocidad cuántica

Un avance revolucionario en la computación cuántica promete acelerar las mediciones, superando así los límites conocidos. Descubre cómo los qubits auxiliares están transformando la velocidad y precisión en el mundo cuántico.

Por Enrique Coperías

Imagen conceptual de un equipo de científicos trabajando en un laboratorio con un ordenador cuántico. Generada con Gemini.

Uno de los mayores retos en el desarrollo de tecnologías cuánticas es cómo medir el estado de un sistema cuántico con rapidez y precisión. Esta tarea, que puede parecer simple, es en realidad crítica: tanto para obtener el resultado final de una computación cuántica como para realizar correcciones de errores cuánticos durante el proceso.

Medir demasiado lento puede degradar la información; hacerlo rápido, sin los cuidados adecuados, puede introducir errores. ¿La solución? Un innovador enfoque que propone intercambiar espacio por tiempo.

Un equipo internacional de investigadores, liderado por Christopher Corlett, el profesor Noah Linden y el doctor Paul Skrzypczyk, de la Universidad de Bristol, ha desarrollado un esquema que permite acelerar las mediciones cuánticas utilizando qubits auxiliares.

Más qubits y menos tiempo

Recordemos que un qubit es la unidad básica de información en la computación cuántica. A diferencia del bit clásico, que solo puede estar en 0 o 1, un qubit puede estar en 0, 1 o en una superposición de ambos al mismo tiempo, lo que le da un gran poder de procesamiento.

Esta nueva técnica, que representa un intercambio entre recursos espaciales (más qubits) y recursos temporales (menos tiempo), ofrece una vía general y robusta para mejorar tanto la velocidad de medición como la calidad de medición. El método es aplicable a múltiples plataformas cuánticas, desde átomos atrapados hasta superconductores.

«El proceso de medición en mecánica cuántica es una de sus características más importantes y fascinantes. También es vital para el futuro de las tecnologías cuánticas,», ha explicado Corlett.

¿Por qué importa medir más rápido?

En computación cuántica, cada qubit representa una unidad de información extremadamente frágil. A lo largo del tiempo, estos qubits pueden perder coherencia cuántica debido a su interacción con el entorno, lo que afecta su fidelidad cuántica.

Esto es especialmente problemático en las llamadas mediciones a mitad de circuito, que resultan ser necesarias para detectar y corregir errores durante una operación cuántica. Cuanto más tiempo se tarde en medir, más vulnerable es el sistema.

«Las mediciones cuánticas rápidas y precisas son cruciales para el desarrollo de las tecnologías cuánticas emergentes —dice Skrzypczyk. Y añade—: Resultados recientes y fundamentales en corrección de errores cuánticos demuestran que, sin mediciones veloces y fiables que faciliten la decodificación de errores, la tolerancia a fallos cuánticos sería imposible».

La propuesta: usar qubits auxiliares para medir más rápido

El problema es que existe un compromiso: medir más tiempo permite una mayor precisión, pero también aumenta el riesgo de decoherencia cuántica. De allí surge la necesidad de métodos que permitan realizar mediciones rápidas y precisas al mismo tiempo.

La idea central del artículo, publicado en Physical Review Letters, es elegante y poderosa: usar qubits adicionales, entrelazados cuánticamente con el qubit que se desea medir, para distribuir la información y luego medirlos todos simultáneamente durante un período de tiempo más corto. Esto permite mantener la calidad de la medición, pero en una fracción del tiempo.

Por ejemplo, si se usa un qubit auxiliar, se puede reducir el tiempo de medición a la mitad sin perder fidelidad. Si se utilizan tres qubits auxiliares, el tiempo se reduce a una cuarta parte, y así sucesivamente. En condiciones ideales, la mejora en la velocidad de medición es lineal con el número de qubits usados.

El ejemplo del vaso de agua

«Siguiendo una analogía simple —explica Corlett— es como intentar distinguir si tienes 100 ml o 90 ml de agua en un vaso midiendo el peso. Si solo puedes medir durante un segundo, esa diferencia puede ser imperceptible. Pero si agregas un segundo qubit auxiliar, es como tener 300 ml frente a 270 ml: una diferencia mucho más fácil de detectar en solo 0,66 segundos. Así se consigue una aceleración lineal en la velocidad de lectura cuántica con el número de qubits».

Este planteamiento se apoya en una propiedad matemática de las distribuciones de Poisson, que describen fenómenos como la emisión de fotones durante una medición por fluorescencia, común en sistemas de átomos o iones atrapados. Medir varios qubits entrelazados y sumar los fotones que emiten es estadísticamente equivalente a medir un solo qubit durante más tiempo.

Ahora bien, una cosa es una teoría elegante; otra, que funcione en el mundo real, con dispositivos ruidosos y operaciones imperfectas. Por eso, los autores llevaron a cabo simulaciones numéricas considerando errores comunes, como fallos en las puertas CNOT o decaimientos espontáneos de los qubits durante la medición.

Robustez frente a errores reales

Recordemos que las puertas CNOT (Controlled-NOT) son operaciones fundamentales en la computación cuántica que actúan sobre dos qubits: un qubit de control y un qubit objetivo. Si el primero está en el estado |1⟩, la puerta CNOT invierte el estado del qubit objetivo (lo cambia de |0⟩ a |1⟩ y viceversa); si el qubit de control está en el estado |0⟩, el qubit objetivo permanece sin cambios.

Esta operación es crucial para crear entrelazamiento cuántico, un fenómeno donde dos o más qubits están correlacionados de tal manera que sus estados dependen unos de otros, independientemente de la distancia que los separe. El entrelazamiento es esencial para muchos algoritmos cuánticos y para la corrección de errores cuánticos.

Los resultados fueron sorprendentes: incluso en presencia de errores, el esquema sigue funcionando bien. En algunos casos, no solo permite medir más rápido, sino que incluso supera la fidelidad máxima alcanzable con una medición tradicional más larga, precisamente porque al reducir el tiempo de exposición, se minimizan los efectos de la decoherencia cuántica.

Más allá de los átomos y los iones

Además, los investigadores desarrollaron una fórmula general para calcular la relación entre número de qubits, duración de la medición y calidad del resultado, lo que permite adaptar el esquema a cualquier plataforma experimental cuántica.

Aunque el estudio se basa principalmente en mediciones por fluorescencia (comunes en átomos neutros e iones atrapados), el método es completamente independiente del tipo de hardware. De hecho, también puede aplicarse a qubits superconductores, donde las técnicas de medición cuántica son distintas pero compatibles con el esquema.

Otra ventaja, según los autores del trabajo, es que el método puede implementarse incluso con un único detector, siempre que se pueda controlar el entrelazamiento cuántico entre el qubit principal y los auxiliares. Esto lo hace versátil y adaptable a diferentes diseños de arquitecturas cuánticas.

Un circuito cuántico que muestra un resultado de medición rápida para dos qubits es el mismo que un resultado de medición lenta para un qubit. Crédito: Chris Corlett

Aplicaciones clave: corrección de errores cuánticos y más

Uno de los terrenos donde este enfoque puede tener mayor impacto es en la corrección de errores cuánticos, fundamental para lograr computadoras cuánticas escalables. Muchas estrategias de corrección requieren medir el parity (paridad) de un conjunto de qubits, lo que suele hacerse a través de un qubit ancilla.

Aplicando este nuevo esquema, esa medición se puede hacer más rápido, aumentando la eficiencia cuántica general del sistema.

Además, como el método permite alcanzar una fidelidad cuántica óptima en menos tiempo, puede servir para reducir el coste energético cuántico o coste computacional cuántico asociado a las mediciones, lo que beneficia tanto a dispositivos actuales como a futuros procesadores más avanzados.

Una herramienta prometedora para el futuro cuántico

Este trabajo demuestra que es posible romper el tradicional compromiso entre velocidad de medición cuántica y calidad de medición cuántica. Al utilizar qubits auxiliares como recurso adicional, se puede reducir el tiempo sin sacrificar precisión, e incluso mejorarla.

Esta estrategia, resistente al ruido y adaptable a múltiples plataformas, podría convertirse en una herramienta estándar en el diseño de hardware cuántico y protocolos cuánticos.

En un campo donde cada milisegundo y cada qubit cuentan, disponer de técnicas que aceleren procesos clave sin aumentar la complejidad es fundamental. El enfoque presentado aquí no solo aporta una solución concreta a un problema técnico, sino que abre una nueva vía conceptual para el desarrollo de tecnologías cuánticas más eficientes, tecnologías cuánticas más rápidas y tecnologías cuánticas más robustas. ▪️

• Fuente: Christopher Corlett,Ieva Čepaitė, Andrew J. Daley, Cica Gustiani, Gerard Pelegrí, Jonathan D. Pritchard, Noah Linden and Paul Skrzypczyk. Speeding Up Quantum Measurement Using Space-Time Trade-Off. Physical Review Letters (2025). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.080801