Un solo cristal puede proporcionar computación cuántica a gran escala, dicen los científicos

Desarrollo de vacunas y medicamentos, inteligencia artificial, transporte y logística, climatología, todas áreas que deben ser transformadas por el desarrollo de una computadora cuántica a gran escala. Y ha habido un crecimiento explosivo en las inversiones en computación cuántica durante la última década.

Sin embargo, los procesadores cuánticos actuales son relativamente pequeños, 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 se deriva de “bits cuánticos”.

Si bien los primeros procesadores cuánticos desempeñaron un papel crucial en la demostración del potencial de la computación cuántica, la realización de aplicaciones de importancia mundial probablemente requerirá procesadores de más de un millón de qubits.

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La nueva investigación aborda un problema central en el corazón de la expansión de las computadoras cuánticas: ¿cómo se pasa de controlar unos pocos qubits a controlar millones? En una investigación publicada en Science Advances, se presenta una nueva tecnología que puede ofrecer una solución.

¿Qué es exactamente una computadora cuántica?

Las computadoras cuánticas usan qubits para almacenar y procesar información cuántica. A diferencia de los bits de información de las computadoras clásicas, los qubits utilizan las propiedades cuánticas de la naturaleza, conocidas como “superposición” y “entrelazamiento”, para realizar 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 en etapa temprana 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.

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La computadora cuántica de Google, construida a partir de circuitos eléctricos superconductores, tenía solo 53 qubits y se enfrió a menos de -273 ° C. en un refrigerador de alta tecnología. Esta temperatura extrema es necesaria para eliminar el calor, que puede introducir errores en qubits frágiles. Si bien estas demostraciones son importantes, el desafío ahora es construir procesadores cuánticos con muchos más qubits.

En la UNSW Sydney se están realizando enormes 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 contiene varios miles de millones de bits, por lo que la perspectiva de utilizar esta tecnología para construir una computadora cuántica es atractiva.

el problema de control

En los procesadores cuánticos de silicio, la información se almacena en electrones individuales, que quedan atrapados bajo pequeños electrodos en la superficie del chip. Más precisamente, el qubit está codificado 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, representando los estados 0 y 1.

Para poner un qubit en un estado de superposición (0 y 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 enrutar llamadas en una red 5G. Las microondas interactúan con el electrón y hacen girar su giro (aguja de la brújula).

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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 en la parte inferior del refrigerador hasta alrededor de -273-. Cada cable lleva calor consigo, que debe eliminarse antes de que llegue al procesador cuántico.

Con unos cincuenta qubits, que es lo más moderno en estos días, es difícil pero manejable. La tecnología actual de refrigeradores puede soportar la carga térmica del cable. Sin embargo, esto presenta un gran obstáculo cuando se utilizan sistemas con un millón de qubits o más.

La solución es el control “global”

Una elegante solución al desafío de proporcionar señales de control en millones de qubits de espín se propuso a fines de la década de 1990. La idea de “control global” era simple: transmitir un solo campo de control de microondas a través del 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).

¿¿LA?? Es mucho más fácil generar estos pulsos de voltaje en el chip que generar múltiples campos de microondas. La solución solo requiere un único cable de control y elimina los intrusivos circuitos de control de microondas en el chip.

Durante más de dos décadas, el control global en las computadoras cuánticas ha sido una idea. Los investigadores no pudieron desarrollar una tecnología adecuada que pudiera integrarse en un chip cuántico y generar campos de microondas a potencias suficientemente bajas.

En este trabajo, se muestra que un componente llamado resonador dieléctrico finalmente podría permitir esto. El resonador dieléctrico es un pequeño cristal transparente que retiene las microondas durante un corto período de tiempo.

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Atrapar microondas, un fenómeno conocido como resonancia, les permite interactuar con qubits de espín durante más tiempo y reduce significativamente la potencia de microondas necesaria para generar el campo de control. Esto era vital para que la tecnología dentro del refrigerador funcionara.

El camino hacia una computadora cuántica a gran escala

Aún queda trabajo por hacer antes de que esta tecnología alcance la tarea de controlar un millón de qubits. Para nuestro estudio, pudimos invertir el estado de los qubits, pero aún no producimos estados de superposición arbitrarios.

Se están realizando experimentos para demostrar esta capacidad crítica. También es necesario estudiar más a fondo el impacto del resonador dieléctrico en otros aspectos del procesador cuántico.

Dicho esto, se cree que estos desafíos de ingeniería finalmente serán superables, eliminando uno de los mayores obstáculos para lograr una computadora cuántica a gran escala.

En este experimento, usamos el resonador dieléctrico para generar un campo de control sobre un área que puede contener hasta cuatro millones de qubits. El chip cuántico utilizado en esta demostración era un dispositivo con dos qubits. Pudimos demostrar que las microondas producidas por el cristal podían revertir el estado de rotación de cada una.

Fuente: Alerta científica

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