Computadora cuántica:uno de los obstáculos para el progreso en la búsqueda de una computadora cuántica en funcionamiento ha sido que los dispositivos en funcionamiento que entran en una computadora cuántica y realizan los cálculos reales, los qubits, hasta ahora han sido realizados por universidades y en pequeñas cantidades. Pero en los últimos años una colaboración paneuropea, en asociación con el líder francés en microelectrónica CEA-Leti, ha estado explorando transistores cotidianos, que están presentes en miles de millones en todos nuestros teléfonos móviles, para su uso como qubits. La empresa francesa Leti fabrica obleas gigantes llenas de dispositivos, y, después de medir, investigadores del Instituto Niels Bohr, Universidad de Copenhague, han encontrado que estos dispositivos producidos industrialmente son adecuados como una plataforma qubit capaz de moverse a la segunda dimensión, un paso significativo para una computadora cuántica en funcionamiento. El resultado ahora se publica en Comunicaciones de la naturaleza .

Los puntos cuánticos en una matriz bidimensional son un salto adelante

Una de las características clave de los dispositivos es la matriz bidimensional de puntos cuánticos. O más precisamente, una red de dos por dos de puntos cuánticos. "Lo que hemos demostrado es que podemos realizar el control de un solo electrón en cada uno de estos puntos cuánticos. Esto es muy importante para el desarrollo de un qubit, porque una de las posibles formas de hacer qubits es usar el espín de un solo electrón. Así que alcanzar este objetivo de controlar los electrones individuales y hacerlo en una matriz 2-D de puntos cuánticos fue muy importante para nosotros ", dice Fabio Ansaloni, ex Ph.D. estudiante, ahora postdoctorado en el centro de dispositivos cuánticos, NBI.

El uso de espines de electrones ha demostrado ser ventajoso para la implementación de qubits. De hecho, su naturaleza "tranquila" hace que los giros interactúen débilmente con el ambiente ruidoso, un requisito importante para obtener qubits de alto rendimiento.

Se ha demostrado que extender los procesadores de computadoras cuánticas a la segunda dimensión es esencial para una implementación más eficiente de las rutinas de corrección de errores cuánticos. La corrección de errores cuánticos permitirá que las futuras computadoras cuánticas sean tolerantes a fallas contra fallas individuales de qubit durante los cálculos.

La importancia de la producción a escala industrial

Profesor asistente en el Centro de Dispositivos Cuánticos, NBI, Anasua Chatterjee agrega:"La idea original era hacer una variedad de qubits de giro, bajar a electrones individuales y ser capaz de controlarlos y moverlos. En ese sentido, es realmente genial que Leti haya podido entregar las muestras que hemos utilizado, lo que a su vez nos permitió alcanzar este resultado. Gran parte del mérito es para el consorcio del proyecto paneuropeo, y generosa financiación de la UE, ayudándonos a pasar lentamente del nivel de un solo punto cuántico con un solo electrón a tener dos electrones, y ahora pasando a las matrices bidimensionales. Las matrices bidimensionales son un gran objetivo, porque eso empieza a parecer algo que es absolutamente necesario para construir una computadora cuántica. Entonces Leti ha estado involucrada en una serie de proyectos a lo largo de los años, que han contribuido a este resultado ".

El mérito de haber llegado tan lejos pertenece a muchos proyectos en Europa.

El desarrollo ha sido gradual. En 2015, investigadores de Grenoble lograron hacer el primer qubit de espín, pero esto se basó en agujeros, no electrones. En aquel momento, el rendimiento de los dispositivos fabricados en el "régimen de agujeros" no fue óptimo, y la tecnología ha avanzado para que los dispositivos ahora en NBI puedan tener matrices bidimensionales en el régimen de un solo electrón. El progreso es triple, los investigadores explican:"Primero, producir los dispositivos en una fundición industrial es una necesidad. La escalabilidad de un moderno El proceso industrial es esencial a medida que comenzamos a hacer arreglos más grandes, por ejemplo, para pequeños simuladores cuánticos. Segundo, al hacer una computadora cuántica, necesitas una matriz en dos dimensiones, y necesitas una forma de conectar el mundo externo a cada qubit. Si tiene 4-5 conexiones para cada qubit, rápidamente termina con una cantidad poco realista de cables que salen de la configuración de baja temperatura. Pero lo que hemos logrado mostrar es que podemos tener una puerta por electrón, y puedes leer y controlar con la misma puerta. Y por último, con estas herramientas pudimos mover e intercambiar electrones individuales de forma controlada alrededor de la matriz, un desafío en sí mismo ".

Las matrices bidimensionales pueden controlar errores

Controlar los errores que ocurren en los dispositivos es un capítulo en sí mismo. Las computadoras que usamos hoy producen muchos errores, pero se corrigen mediante lo que se llama código de repetición. En una computadora convencional, puede tener información en un 0 o en un 1. Para asegurarse de que el resultado de un cálculo sea correcto, la computadora repite el cálculo y si un transistor comete un error, se corrige por mayoría simple. Si la mayoría de los cálculos realizados en otros transistores apuntan a 1 y no a 0, entonces se elige 1 como resultado. Esto no es posible en una computadora cuántica ya que no se puede hacer una copia exacta de un qubit, por lo que la corrección de errores cuánticos funciona de otra manera:los qubits físicos de última generación aún no tienen una tasa de error baja, pero si se combinan suficientes de ellos en la matriz 2-D, pueden controlarse mutuamente, por así decirlo. Esta es otra ventaja de la matriz 2-D ahora realizada.

El siguiente paso de este hito

El resultado obtenido en el Instituto Niels Bohr muestra que ahora es posible controlar electrones individuales, y realizar el experimento en ausencia de un campo magnético. Entonces, el siguiente paso será buscar espines (firmas de espines) en presencia de un campo magnético. Esto será esencial para implementar puertas de uno y dos qubits entre los qubits individuales de la matriz. La teoría ha demostrado que un puñado de puertas simples y dos qubit, llamado un conjunto completo de puertas cuánticas, son suficientes para permitir la computación cuántica universal.