Towards Fault-Tolerant Quantum Information Processing with Trapped Ions

Abstract

El Procesamiento Cuántico de la Información es un campo de investigación que utiliza los principios de la mecánica cuántica para el desarrollo científico y tecnológico de las áreas de comunicación y computación. Este campo busca lograr un mayor entendimiento y desarrollo de nuevas formas de procesar, almacenar y transmitir información basadas en la mecánica cuántica. Resultados científicos importantes muestran que el procesamiento cuántico de la información puede mejorar las formas de procesamiento de la información tradicionales. Por ejemplo, la criptografía cuántica garantiza comunicaciones más seguras y la computación cuántica tiene el potencial de resolver problemas en un tiempo polinomial más rápido para los que no se han encontrado aún algoritmos clásicos. Además, en computación cuántica sería posible simular ciertos sistemas y procesos físicos que no se pueden llevar a cabo con los supercomputadoras actuales. Sin embargo, uno de los principales desafíos para la implementación experimental de procesadores de información cuántica fiables es que los sistemas cuánticos son verdaderamente sensibles al ruido. Las interacciones no deseadas de estos con el entorno provocan errores que pueden corromper los resultados de la computación cuántica. Afortunadamente, la teoría de la computación cuántica tolerante a fallos establece que es aún posible la realización de computación cuántica fiable si el ruido en el procesador cuántico no es demasiado elevado. La computación cuántica tolerante a fallos opera en qubits codificados en un código cuántico de corrección de errores. En la corrección cuántica de errores, las mediciones de verificación de la paridad permiten la detección de faltas en la información codificada. La teoría tolerante a fallos también nos presenta cómo realizar puertas cuánticas en qubits codificados donde errores individuales en el circuito no se propaguen de forma descontrolada. Sin embargo, garantizar el correcto funcionamiento de los circuitos de corrección cuántica de errores es crucial para lograr la tolerancia a fallos en los procesadores cuánticos sujetos a ruido...Quantum Information Processing is a field of research that covers all the scientific and technological development that uses the principles of quantum mechanics for communication and computation. It seeks to understand and develop new ways of processing, storing, and transmitting information based on quantum mechanics. Quantum information processing has been a central focus of research during the last few decades and relevant results establish that quantum information processing can exceed those traditional ways of processing information. For example, quantum cryptography ensures more secure communications, and quantum computation has the potential to solve problems in faster polynomial time for which classical algorithms have not been found. Also, in quantum computation, we could simulate physical systems and processes, which can not be done with current supercomputers. However, one of the major challenges to the experimental realization of reliable quantum information processors is that quantum systems are really sensitive to noise. Unwanted interactions with the environment lead to errors that can corrupt the results of quantum computation. Nevertheless, the theory of fault-tolerant quantum computation establishes that quantum computation is still possible if the noise in the quantum processor is not too strong. Fault-tolerant quantum computation operates on qubits encoded in a quantum errorcorrecting code. In quantum error correction, parity-check measurements allow the detection of faults in the encoded information. The fault-tolerant theory also tells us how to perform quantum gates on encoded qubits where single errors do not spread uncontrollably. However, ensuring the correct functioning of quantum error correction circuits is crucial to achieving fault tolerance inquantum processors subjected to noise...