Decoherence and quantum error correction for quantum computing and communications

Resumen

Las tecnologías cuánticas presentan un enorme potencial para resolver, de una forma eficiente, tareas de procesado de información tales como la factorización en números primos, la búsqueda en bases de datos no estructuradas o simulación de macromoléculas complejas. Como resultado de esta capacidad para resolver problemas que no se pueden tratar con medios clásicos, las máquinas cuánticas tienen el potencial de revolucionar el mundo moderno mediante aplicaciones como el diseño de fármacos, la optimización de procesos, las comunicaciones completamente seguras o el quantum machine learning. Sin embargo, la información cuántica tiende a sufrir errores producidos por la interacción denominada decoherencia cuántica. La decoherencia cuántica describe la pérdida de coherencia, y así de la información, de los estados cuánticos asociada a la inevitable interacción de estos con su entorno. Este efecto está presente en todas las tareas de procesado cuántico de la información, sea la transmisión, el procesado o el almacenamiento de la información cuántica. Como consecuencia, la protección de los estados cuánticos mediante los denominados códigos correctores de errores cuánticos es de vital importancia para poder construir ordenadores cuánticos que sean fiables. Entender los procesos físicos que constituyen la decoherencia cuántica y su modelado teórico es fundamental para poder construir métodos de corrección de errores cuánticos de forma eficiente. En esta tesis doctoral se abarcan el modelado matemático de la decoherencia cuántica; y el diseño y optimización de códigos correctores de errores para obtener mejores rendimientos en dicha tarea.