por Jarryd Pla y Andrew Dzurak
Desarrollo de vacunas y fármacos, inteligencia artificial, transporte y logística, ciencia del clima: todas estas son áreas que pueden ser transformadas por el desarrollo de una computadora cuántica a gran escala. Y ha habido un crecimiento explosivo en la inversión en computación cuántica durante la última década.
Sin embargo, los procesadores cuánticos actuales son de escala relativamente pequeña, con menos de 100 qubits , los componentes básicos de una computadora cuántica . Los bits son la unidad de información más pequeña en informática, y el término qubits proviene de “bits cuánticos”.
Si bien los primeros procesadores cuánticos han sido cruciales para demostrar el potencial de la computación cuántica, la realización de aplicaciones de importancia mundial probablemente requerirá procesadores con más de un millón de qubits .
Nuestra nueva investigación aborda un problema central en el corazón de la ampliación de las computadoras cuánticas: ¿cómo pasamos de controlar solo unos pocos qubits a controlar millones? En una investigación publicada hoy en Science Advances , revelamos una nueva tecnología que puede ofrecer una solución.
¿Qué es exactamente una computadora cuántica?
Las computadoras cuánticas usan qubits para contener y procesar información cuántica. A diferencia de los bits de información en las computadoras clásicas, los qubits hacen uso de las propiedades cuánticas de la naturaleza, conocidas como “superposición” y “entrelazamiento”, para realizar algunos cálculos mucho más rápido que sus contrapartes clásicas.
A diferencia de un bit clásico, que está representado por 0 o 1, un qubit puede existir en dos estados (es decir, 0 y 1) al mismo tiempo. Esto es lo que llamamos estado de superposición.
Las demostraciones de Google y otros han demostrado que incluso las computadoras cuánticas actuales, en etapa inicial, pueden superar a las supercomputadoras más poderosas del planeta en una tarea altamente especializada (aunque no particularmente útil): alcanzar un hito que llamamos supremacía cuántica.
La computadora cuántica de Google, construida a partir de circuitos eléctricos superconductores, tenía solo 53 qubits y se enfrió a una temperatura cercana a -273 ℃ en un refrigerador de alta tecnología. Esta temperatura extrema es necesaria para eliminar el calor, que puede introducir errores en los frágiles qubits. Si bien estas demostraciones son importantes, el desafío ahora es construir procesadores cuánticos con muchos más qubits.
En la UNSW Sydney se están realizando grandes esfuerzos para fabricar computadoras cuánticas a partir del mismo material que se usa en los chips de computadora cotidianos: el silicio. Un chip de silicio convencional tiene el tamaño de una miniatura y se empaqueta en varios miles de millones de bits, por lo que la perspectiva de usar esta tecnología para construir una computadora cuántica es convincente.
El problema del control
En los procesadores cuánticos de silicio, la información se almacena en electrones individuales, que quedan atrapados debajo de pequeños electrodos en la superficie del chip. Específicamente, el qubit se codifica en el espín del electrón . Puede representarse como una pequeña brújula dentro del electrón. La aguja de la brújula puede apuntar al norte o al sur, lo que representa los estados 0 y 1.
Para establecer un qubit en un estado de superposición (tanto 0 como 1), una operación que ocurre en todos los cálculos cuánticos, se debe dirigir una señal de control al qubit deseado. Para los qubits en silicio, esta señal de control tiene la forma de un campo de microondas, muy parecido a los que se utilizan para realizar llamadas telefónicas a través de una red 5G. Las microondas interactúan con el electrón y hacen que su giro (aguja de la brújula) gire.
Actualmente, cada qubit requiere su propio campo de control de microondas. Se envía al chip cuántico a través de un cable que va desde la temperatura ambiente hasta el fondo del refrigerador a cerca de -273 grados Celsius. Cada cable trae calor consigo, que debe eliminarse antes de que llegue al procesador cuántico.
Alrededor de 50 qubits, que es lo más moderno en la actualidad, esto es difícil pero manejable. La tecnología actual de refrigeradores puede hacer frente a la carga de calor del cable. Sin embargo, representa un gran obstáculo si vamos a utilizar sistemas con un millón de qubits o más.https://www.youtube.com/embed/SD-jA8dGFuw?wmode=transparent&start=0&enablejsapi=1
La solución es el control ‘global’
A fines de la década de 1990 se propuso una elegante solución al desafío de cómo enviar señales de control a millones de qubits de espín . La idea de “control global” era simple: transmitir un solo campo de control de microondas a través de todo el procesador cuántico.
Los pulsos de voltaje se pueden aplicar localmente a los electrodos de qubits para hacer que los qubits individuales interactúen con el campo global (y produzcan estados de superposición).
Es mucho más fácil generar pulsos de voltaje en el chip que generar múltiples campos de microondas. La solución requiere solo un cable de control y elimina los molestos circuitos de control de microondas en el chip.
Durante más de dos décadas, el control global en las computadoras cuánticas siguió siendo una idea. Los investigadores no pudieron idear una tecnología adecuada que pudiera integrarse con un chip cuántico y generar campos de microondas a potencias adecuadamente bajas.
En nuestro trabajo mostramos que un componente conocido como resonador dieléctrico finalmente podría permitir esto. El resonador dieléctrico es un pequeño cristal transparente que atrapa las microondas durante un corto período de tiempo.
La captura de microondas, un fenómeno conocido como resonancia, les permite interactuar con los qubits de espín por más tiempo y reduce en gran medida la potencia de las microondas necesaria para generar el campo de control. Esto fue vital para operar la tecnología dentro del refrigerador.
En nuestro experimento, usamos el resonador dieléctrico para generar un campo de control sobre un área que podría contener hasta cuatro millones de qubits. El chip cuántico utilizado en esta demostración era un dispositivo con dos qubits. Pudimos mostrar que las microondas producidas por el cristal podían cambiar el estado de giro de cada una.
El camino hacia una computadora cuántica a gran escala
Todavía queda trabajo por hacer antes de que esta tecnología esté a la altura de la tarea de controlar un millón de qubits. Para nuestro estudio, logramos cambiar el estado de los qubits, pero aún no producimos estados de superposición arbitrarios.
Se están realizando experimentos para demostrar esta capacidad crítica. También necesitaremos estudiar más a fondo el impacto del resonador dieléctrico en otros aspectos del procesador cuántico.
Dicho esto, creemos que estos desafíos de ingeniería serán finalmente superables, superando uno de los mayores obstáculos para realizar una computadora cuántica basada en espines a gran escala.
Este artículo se ha vuelto a publicar de The Conversation con una licencia de Creative Commons. Lea el artículo original .
Crédito de la imagen: Serwan Asaad / UNSW , proporcionado por el autor
