El nuevo dispositivo podría conducir a procesadores cuánticos más versátiles con resultados más limpios.

¿De qué sirve una computadora poderosa si no puede leer su salida? ¿O reprogramarlo fácilmente para hacer diferentes trabajos? Las personas que diseñan computadoras cuánticas enfrentan estos desafíos, y un nuevo dispositivo podría facilitar su solución.

Presentado por un equipo de científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), el dispositivo consta de dos bits cuánticos superconductores, o qubits, que son el análogo de una computadora cuántica a los bits lógicos del chip de procesamiento de una computadora clásica. El corazón de esta nueva estrategia es un dispositivo de «interruptor de palanca» que conecta los qubits a un circuito llamado «resonador de lectura» que puede leer la salida de los cálculos de los qubits.

El mecanismo del interruptor de palanca

Este interruptor de palanca se puede cambiar a diferentes estados para ajustar la fuerza de las conexiones entre los qubits y el resonador de lectura. Cuando está deshabilitado, los tres elementos están aislados entre sí. Cuando se enciende el interruptor para conectar los dos qubits, pueden interactuar y realizar cálculos. Una vez que se completan los cálculos, el interruptor de palanca puede conectar uno de los qubits y el resonador de lectura para recuperar los resultados.

Tener un interruptor de palanca programable contribuye en gran medida a reducir el ruido, un problema común en los circuitos de computación cuántica que dificulta que los cúbits realicen cálculos y muestren claramente sus resultados.

Esta foto muestra el área de trabajo central del dispositivo. En la parte inferior, los tres grandes rectángulos (azul claro) representan los dos bits cuánticos, o qubits, a derecha e izquierda y el resonador en el centro. En la sección superior ampliada, el paso de las microondas a través de la antena (gran rectángulo azul oscuro en la parte inferior) induce un campo magnético en el bucle SQUID (pequeño cuadrado blanco en el centro, cuyos lados miden unos 20 micrómetros). El campo magnético activa el interruptor de palanca. La frecuencia y la amplitud de las microondas determinan la posición del interruptor y la fuerza de la conexión entre los qubits y el resonador. Crédito: R. Simmonds/NIST

Rendimiento y fidelidad mejorados

«El objetivo es mantener contentos a los qubits para que puedan calcular sin distracciones, y aún así poder leerlos cuando queramos», dijo Ray Simmonds, físico del NIST y uno de los autores del artículo. . «Esta arquitectura de dispositivo ayuda a proteger los qubits y promete mejorar nuestra capacidad para realizar las mediciones de alta fidelidad necesarias para construir procesadores de información cuántica a partir de qubits».

El equipo, que también incluye científicos de la Universidad de Massachusetts Lowell, la Universidad de Colorado en Boulder y Raytheon BBN Technologies, describe sus hallazgos en un artículo publicado recientemente en la revista Física Natural.

Computación cuántica: estado actual y desafíos

Las computadoras cuánticas, que aún se encuentran en una etapa incipiente de desarrollo, explotarían las extrañas propiedades de la mecánica cuántica para realizar tareas que incluso nuestras computadoras clásicas más poderosas encuentran intratables, como ayudar en el desarrollo de nuevos medicamentos mediante la realización de simulaciones sofisticadas de interacciones químicas. . .

Sin embargo, los diseñadores de computadoras cuánticas todavía enfrentan muchos problemas. Uno de ellos es que los circuitos cuánticos son empujados por ruido externo o incluso interno, que proviene de fallas en los materiales utilizados para fabricar computadoras. Este ruido es esencialmente un comportamiento aleatorio que puede crear errores en los cálculos de qubit.

El problema del ruido en la computación cuántica

Los qubits actuales son inherentemente ruidosos, pero ese no es el único problema. Muchos diseños de computadoras cuánticas tienen lo que se llama una arquitectura estática, donde cada qubit en el procesador está físicamente conectado a sus vecinos y su resonador de lectura. El cableado fabricado que conecta los qubits entre sí y con su reproducción puede exponerlos a aún más ruido.

Estas arquitecturas estáticas tienen otro inconveniente: no se pueden reprogramar fácilmente. Los qubits en una arquitectura estática podrían realizar algunas tareas relacionadas, pero para que la computadora pueda realizar una gama más amplia de tareas, tendría que intercambiar un diseño de procesador diferente con una organización o diseño de qubit diferente. (Imagínese cambiar el chip de su computadora portátil cada vez que necesite usar un software diferente, luego considere mantener el chip un poco por encima cero absolutoy entiendes por qué podría ser un inconveniente.)

La solución de interruptor de palanca programable

El interruptor de palanca programable del equipo evita ambos problemas. En primer lugar, evita que el ruido del circuito se filtre en el sistema a través del resonador de lectura y evita que los qubits tengan una conversación entre sí cuando se supone que deben estar en silencio.

«Esto reduce una fuente clave de ruido en una computadora cuántica», dijo Simmonds.

En segundo lugar, la apertura y el cierre de los interruptores entre los elementos se controla mediante un tren de pulsos de microondas enviados de forma remota, en lugar de las conexiones físicas de una arquitectura estática. La integración de más de estos interruptores de palanca podría formar la base de una computadora cuántica programable más fácilmente. Los pulsos de microondas también pueden establecer el orden y la secuencia de las operaciones lógicas, lo que significa que un chip construido con muchos de los interruptores de palanca del equipo podría encargarse de realizar cualquier cantidad de tareas.

«Hace que el chip sea programable», dijo Simmonds. «En lugar de tener una arquitectura completamente fija en el chip, puede realizar cambios a través del software».

Beneficios adicionales y direcciones futuras

Una ventaja final es que el interruptor de palanca también puede permitir la medición de ambos qubits al mismo tiempo. Esta capacidad de pedir a los dos qubits que se revelen como pareja es importante para rastrear errores de cálculo cuánticos.

Los qubits de esta demostración, así como el interruptor de palanca y el circuito de lectura, estaban hechos de componentes superconductores que conducen la electricidad sin resistencia y deben operar a temperaturas muy bajas. El interruptor de palanca en sí está hecho de un dispositivo de interferencia cuántica superconductor, o «SQUID», que es muy sensible a los campos magnéticos que pasan a través de su bucle. Conducir una corriente de microondas a través de un bucle de antena cercano puede inducir interacciones entre los qubits y el resonador de lectura cuando sea necesario.

En este punto, el equipo solo ha estado trabajando con dos qubits y un solo resonador de lectura, pero Simmonds dijo que están preparando un diseño con tres qubits y un resonador de lectura, y también planea agregar más qubits y resonadores. La investigación adicional podría ofrecer información sobre cómo encadenar muchos de estos dispositivos, lo que podría proporcionar una forma de construir una poderosa computadora cuántica con suficientes qubits para resolver los tipos de problemas que, por ahora, son insuperables.

Referencia: «Fuertes cambios dispersivos paramétricos en un sistema QED de cavidad de dos qubits desacoplados estáticamente» por T. Noh, Z. Xiao, XY Jin, K. Cicak, E. Doucet, J. Aumentado, LCG Govia, L. Ranzani, A Kamal y RW Simmonds, 26 de junio de 2023, Física Natural.
DOI: 10.1038/s41567-023-02107-2