Los constructores de futuras computadoras cuánticas superconductoras podrían aprender una o dos cosas de los semiconductores, según un informe en Comunicaciones de la naturaleza esta semana. Al aprovechar las buenas ideas del mundo natural y la comunidad de semiconductores, los investigadores pueden simplificar en gran medida el funcionamiento de los dispositivos cuánticos construidos a partir de superconductores. Lo llaman un enfoque "inspirado en semiconductores" y sugieren que puedeproporcionar una guía útil para mejorar los circuitos cuánticos superconductores.
Los bits cuánticos superconductores, o qubits, son circuitos hechos de componentes superconductores, como cables, condensadores o inductores no lineales, que tienen cero resistencia a la corriente eléctrica. El diseño de estos circuitos desde cero ofrece una gran flexibilidad y se haun largo camino hacia la realización de una computadora cuántica a gran escala. Por otro lado, los qubits que se encuentran en materiales semiconductores como el silicio ultra puro ofrecen buenas propiedades para la computación cuántica, como largos tiempos de memoria cuántica y puertas rápidas de dos qubits. Estos beneficios vienen con limitaciones, pero esas limitaciones han llevado a soluciones creativas de la comunidad de semiconductores.
Yun-Pil Shim y Charles Tahan en el Laboratorio de Ciencias Físicas 1 y la Universidad de Maryland en College Park están explorando si las ideas obtenidas de los qubits de semiconductores pueden ser útiles para diseñar mejores enfoques para las computadoras cuánticas superconductoras. Como primer paso, consideraron aplicar enfoques de control novedosos a qubits superconductores de última generación y descubrieron que podían eliminar uno de los gastos generales más costosos para el control, las fuentes de microondas, mediante el uso de una solución desarrollada en la comunidad de semiconductores qubit., encontraron una implementación aún más eficiente en qubits superconductores, lo que hace que el enfoque sea más fácil de realizar que el semiconductor original.
"Si la comunidad pudiera imitar las grandes propiedades de los qubits de semiconductores en los circuitos superconductores hechos por el hombre, podrían tener lo mejor de ambos mundos", dice Tahan. "En un gran mar de parámetros, a veces la mejor guía es la naturaleza"
Los Qubits se pueden realizar en muchas plataformas físicas diferentes, como un circuito superconductor o un giro de un electrón. El giro es una propiedad cuántica de partículas que los físicos a menudo consideran un pequeño imán que apuntará en la dirección de un campo magnético aplicado.Un giro puede apuntar hacia arriba o hacia abajo, correspondiente al 0 o 1 de los bits convencionales, pero también puede apuntar horizontalmente. Esto da como resultado una "superposición" cuántica de 0 y 1, una característica clave de los qubits. En algunos sistemas, estos giroslos qubits pueden transportar información cuántica de manera robusta porque no se ven afectados por la carga eléctrica, una fuente común de ruido.
Los giros y los qubits superconductores se controlan de manera similar. En ambos, la radiación de microondas puede conducir transiciones entre los dos niveles del qubit permitiendo puertas de lógica cuántica. Pero los qubits de giro semiconductores también son diferentes. A menudo tienen un acoplamiento débil con el medio ambiente,lo que lleva a tiempos de memoria prolongados pero puertas cuánticas lentas. Además, los qubits de giro son bastante pequeños, lo que los hace susceptibles a la diafonía accidental de los giros cercanos.
La comunidad de semiconductores se ha ocupado de ambos problemas mediante el desarrollo de enfoques "totalmente eléctricos" para la computación cuántica que representan un qubit con múltiples giros físicos. Las operaciones en este qubit "codificado" se realizan mediante interacciones por pares entre los giros físicos. Esto requiere enal menos tres giros por qubit codificado y una gran cantidad de pulsos físicos para lograr una sola puerta codificada, una sobrecarga costosa para la computación cuántica, especialmente cuando los pulsos no son perfectos.
Shim y Tahan muestran que un enfoque de qubit codificado puede funcionar aún mejor con qubits superconductores. De hecho, muestran que los qubits superconductores modernos llamados transmons o fluxmons, que pueden ajustarse individualmente, requieren solo dos qubits físicos por qubit codificado. Más importante aún, el tiempo de compuerta codificado y el error de compuerta no cambian mucho. Por ejemplo, mientras que una compuerta NO controlada puede tomar aproximadamente 20 interacciones qubit-qubit para lograr en giros de semiconductores, Shim y Tahan muestran que una compuerta similar de dos qubit puede serEsto se logra utilizando solo un pulso de dos qubits. Esto significa que todas las puertas de lógica cuántica se pueden realizar con pulsos de CC rápidos en lugar de depender de rotaciones de qubit impulsadas por microondas.
Los autores afirman que su esquema se puede implementar con qubits superconductores y métodos de control actuales, pero aún hay preguntas abiertas. En el esquema codificado, la inicialización de qubits puede ser ruidosa. Y los qubits "transmon" ubicuos pueden ser superados por los tipos de qubit más nuevoscomo "fluxmon" o "fluxonium"
Las computadoras cuánticas deben preservar los qubits de la interferencia externa mientras se realice el cálculo. A pesar del rápido progreso en la calidad de los qubits superconductores la vida útil de los qubits ahora supera los 100 microsegundos, en comparación con las decenas de nanosegundos de hace una década, las tasas de error de la puerta de qubit sontodavía limitado por la pérdida en los metales, aislantes, sustratos e interfaces que componen estos dispositivos. Estas limitaciones también limitarán el rendimiento del esquema codificado como se propone, y aún se necesita más progreso en estos problemas fundamentales del dispositivo.
Un objetivo importante en el camino hacia una computadora cuántica a gran escala es la demostración de la corrección de errores cuánticos "tolerantes a fallas", donde el error de las compuertas cuánticas físicas se reduce mediante la corrección de errores repetidos en un qubit "lógico" que consta de muchosqubits físicos. Eliminar la necesidad de control por microondas, junto con los otros beneficios de la propuesta de qubit codificado, podría facilitar la realización de un qubit lógico con qubits superconductores. Si bien los autores creen que este trabajo representa un avance, sugieren que se puede lograr un progreso adicionalhecho mirando aún más de cerca los spin qubits.
1 El Laboratorio de Ciencias Físicas está afiliado al Joint Quantum Institute JQI.
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Materiales proporcionados por Instituto Conjunto Cuántico . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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