Los físicos cuánticos de la Universidad de Copenhague informan sobre un logro internacional de Dinamarca en el campo de la tecnología cuántica. Al operar simultáneamente múltiples qubits de espín en el mismo chip cuántico, superaron un obstáculo clave en el camino hacia la supercomputadora del futuro.El resultado es un buen augurio para el uso de materiales semiconductores como plataforma para computadoras cuánticas de estado sólido.
Uno de los quebraderos de cabeza de la ingeniería en el maratón global hacia una gran computadora cuántica funcional es el control de muchos dispositivos de memoria básicos - qubits - simultáneamente. Esto se debe a que el control de un qubit generalmente se ve afectado negativamente por pulsos de control simultáneos aplicados a otro qubit. Ahora, un par de jóvenes físicos cuánticos del Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague, estudiante de doctorado, ahora postdoctorado,Federico Fedele, 29 y Asst. Prof. Anasua Chatterjee, 32, - trabajando en el grupo de Assoc. Prof. Ferdinand Kuemmeth, han logrado superar este obstáculo.
La investigación global de qubits se basa en varias tecnologías. Si bien Google e IBM han avanzado mucho con los procesadores cuánticos basados en la tecnología de superconductores, el grupo de investigación UCPH está apostando por los qubits de semiconductores, conocidos como girar qubits .
"En términos generales, consisten en espines de electrones atrapados en nanoestructuras semiconductoras llamadas puntos cuánticos, de modo que los estados de espín individuales pueden controlarse y entrelazarse entre sí", explica Federico Fedele.
Spin qubits tiene la ventaja de mantener sus estados cuánticos durante mucho tiempo. Esto potencialmente les permite realizar cálculos más rápidos y sin fallas que otros tipos de plataformas. Y son tan minúsculos que muchos más de ellos pueden ser comprimidos en un chip.que con otros enfoques de qubit. Cuantos más qubits, mayor es la potencia de procesamiento de una computadora. El equipo de UCPH ha ampliado el estado de la técnica al fabricar y operar cuatro qubits en una matriz de 2x2 en un solo chip.
La circuitería es 'el nombre del juego'
Hasta ahora, el mayor enfoque de la tecnología cuántica ha sido producir cada vez mejores qubits. Ahora se trata de lograr que se comuniquen entre sí, explica Anasua Chatterjee :
"Ahora que tenemos algunos qubits bastante buenos, el nombre del juego es conectarlos en circuitos que pueden operar numerosos qubits, al mismo tiempo que son lo suficientemente complejos como para poder corregir errores de cálculo cuántico. Hasta ahora, la investigación en qubits de espín hallegado al punto en que los circuitos contienen matrices de 2x2 o 3x3 qubits. El problema es que sus qubits solo se tratan de uno en uno ".
Es aquí donde el circuito cuántico de los jóvenes físicos cuánticos, hecho de la sustancia semiconductora arseniuro de galio y no más grande que el tamaño de una bacteria, marca la diferencia :
"Lo nuevo y verdaderamente significativo de nuestro chip es que podemos operar y medir simultáneamente todos los qubits. Esto nunca se ha demostrado antes con los spin qubits, ni con muchos otros tipos de qubits", dice Chatterjee, quien es uno de losdos autores principales del estudio, que se ha publicado recientemente en la revista Revisión física X Quantum .
Ser capaz de operar y medir simultáneamente es esencial para realizar cálculos cuánticos. De hecho, si tiene que medir qubits al final de un cálculo, es decir, detener el sistema para obtener un resultado, los estados cuánticos frágiles colapsan.Por lo tanto, es crucial que la medición sea sincrónica, de modo que los estados cuánticos de todos los qubits se apaguen simultáneamente. Si los qubits se miden uno por uno, el menor ruido ambiental puede alterar la información cuántica en un sistema.
Hito
La realización del nuevo circuito es un hito en el largo camino hacia una computadora cuántica semiconductora.
"Para obtener procesadores cuánticos más potentes, tenemos que aumentar no solo el número de qubits, sino también el número de operaciones simultáneas, que es exactamente lo que hicimos", afirma el profesor Kuemmeth, que dirigió la investigación.
En este momento, uno de los principales desafíos es que los 48 electrodos de control del chip deben ajustarse manualmente y mantenerse sintonizados continuamente a pesar de la deriva ambiental, lo cual es una tarea tediosa para un ser humano. Es por eso que su equipo de investigación ahora está investigandocómo se podrían utilizar los algoritmos de optimización y el aprendizaje automático para automatizar el ajuste. Para permitir la fabricación de matrices de qubit aún más grandes, los investigadores han comenzado a trabajar con socios industriales para fabricar la próxima generación de chips cuánticos. En general, los esfuerzos sinérgicos de la informática y la ingeniería microelectrónica, y la física cuántica puede llevar a los qubits de espín a los siguientes hitos.
ACERCA DE QUBITS
El cerebro de la computadora cuántica que los científicos están intentando construir constará de muchas matrices de qubits, similares a los bits de los microchips de los teléfonos inteligentes. Estos compondrán la memoria de la máquina. La famosa diferencia es que, si bien un bit ordinario puede almacenardatos en el estado de 1 o 0, un qubit puede residir en ambos estados simultáneamente, lo que se conoce como superposición cuántica, lo que hace que la computación cuántica sea exponencialmente más poderosa.
ACERCA DEL CHIP
Los cuatro qubits de espín en el chip están hechos del material semiconductor arseniuro de galio. Situado entre los cuatro qubits hay un punto cuántico más grande que conecta los cuatro qubits entre sí, y que los investigadores pueden usar para sintonizar todos los qubits simultáneamente..
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