Los ingenieros de la Universidad de Nueva Gales del Sur de Australia han inventado una arquitectura radicalmente nueva para la computación cuántica, basado en novedosos 'qubits flip-flop', que promete hacer que la fabricación a gran escala de chips cuánticos sea dramáticamente más barata y más fácil de lo que se creía posible.

El nuevo diseño de chip, detallado en la revista Comunicaciones de la naturaleza , permite un procesador cuántico de silicio que se puede escalar sin la colocación precisa de átomos requerida en otros enfoques. En tono rimbombante, permite que los bits cuánticos (o 'qubits'), la unidad básica de información en una computadora cuántica, se coloquen a cientos de nanómetros de distancia y aún permanezcan acoplados.

El diseño fue concebido por un equipo liderado por Andrea Morello, Gerente de programa en el Centro de Excelencia ARC para Tecnología de Computación y Comunicación Cuántica (CQC2T) con sede en la UNSW en Sydney, quien dijo que la fabricación del nuevo diseño debería estar fácilmente al alcance de la tecnología actual.

Autor principal Guilherme Tosi, un investigador en CQC2T, desarrolló el concepto pionero junto con Morello y los coautores Fahd Mohiyaddin, Vivien Schmitt y Stefanie Tenberg de CQC2T, con los colaboradores Rajib Rahman y Gerhard Klimeck de Purdue University en Estados Unidos.

"Es un diseño brillante, y como muchos de estos saltos conceptuales, es increíble que nadie lo hubiera pensado antes, "dijo Morello.

"Lo que Guilherme y el equipo han inventado es una nueva forma de definir un 'qubit de espín' que utiliza tanto el electrón como el núcleo del átomo. Fundamentalmente, este nuevo qubit se puede controlar mediante señales eléctricas, en lugar de magnéticos. Las señales eléctricas son significativamente más fáciles de distribuir y localizar dentro de un chip electrónico ".

Tosi dijo que el diseño evita un desafío que se esperaba que enfrentaran todos los qubits de silicio basados ​​en espines a medida que los equipos comienzan a construir matrices de qubits cada vez más grandes:la necesidad de espaciarlos a una distancia de solo 10-20 nanómetros, o solo con 50 átomos de distancia.

"Si están demasiado cerca, o demasiado lejos el 'entrelazamiento' entre bits cuánticos, que es lo que hace que las computadoras cuánticas sean tan especiales, no ocurre, "Dijo Tosi.

Los investigadores de la UNSW ya son líderes mundiales en la fabricación de qubits de espín a esta escala, dijo Morello. "Pero si queremos hacer una matriz de miles o millones de qubits tan juntos, significa que todas las líneas de control, la electrónica de control y los dispositivos de lectura también deben fabricarse a esa escala nanométrica, y con ese tono y esa densidad de electrodos. Este nuevo concepto sugiere otro camino ".

En el otro extremo del espectro se encuentran los circuitos superconductores (perseguidos, por ejemplo, por IBM y Google) y las trampas de iones. Estos sistemas son grandes y más fáciles de fabricar, y actualmente están liderando el camino en el número de qubits que se pueden operar. Sin embargo, debido a sus mayores dimensiones, a largo plazo, pueden enfrentar desafíos al intentar ensamblar y operar millones de qubits, como lo requieren los algoritmos cuánticos más útiles.

"Nuestro nuevo enfoque basado en silicio se encuentra justo en el punto óptimo, "dijo Morello, profesor de ingeniería cuántica en UNSW. "Es más fácil de fabricar que los dispositivos a escala atómica, pero aún nos permite colocar un millón de qubits en un milímetro cuadrado ".

En el qubit de un solo átomo utilizado por el equipo de Morello, y que aplica el nuevo diseño de Tosi, un chip de silicio está cubierto con una capa de óxido de silicio aislante, encima del cual descansa un patrón de electrodos metálicos que operan a temperaturas cercanas al cero absoluto y en presencia de un campo magnético muy fuerte.

En el núcleo hay un átomo de fósforo, a partir de los cuales el equipo de Morello ha construido previamente dos qubits funcionales utilizando un electrón y el núcleo del átomo. Estos qubits, tomado individualmente, han demostrado tiempos de coherencia récord mundial.

El avance conceptual de Tosi es la creación de un tipo de qubit completamente nuevo, utilizando tanto el núcleo como el electrón. En este enfoque, un estado qubit '0' se define cuando el espín del electrón está hacia abajo y el espín del núcleo está hacia arriba, mientras que el estado '1' es cuando el espín del electrón aumenta, y el giro nuclear se ha reducido.

"Lo llamamos el qubit 'flip-flop', "dijo Tosi." Para operar este qubit, necesitas alejar un poco el electrón del núcleo, usando los electrodos en la parte superior. Al hacerlo, también creas un dipolo eléctrico ".

"Este es el punto crucial, "agrega Morello." Estos dipolos eléctricos interactúan entre sí a distancias bastante grandes, una buena fracción de micrón, o 1, 000 nanómetros.

"Esto significa que ahora podemos colocar los qubits de un solo átomo mucho más separados de lo que se creía posible, ", continuó." Así que hay mucho espacio para intercalar los componentes clásicos clave, como interconexiones, electrodos de control y dispositivos de lectura, conservando la naturaleza átomo precisa del bit cuántico ".

Morello calificó el concepto de Tosi de tan significativo como el artículo seminal de Bruce Kane de 1998 en Naturaleza . Kane, luego un asociado de investigación senior en UNSW, dio con una nueva arquitectura que podría hacer realidad una computadora cuántica basada en silicio, lo que desencadenó la carrera de Australia para construir una computadora cuántica.

"Como el periódico de Kane, esta es una teoría, una propuesta:el qubit aún no se ha construido, ", dijo Morello." Tenemos algunos datos experimentales preliminares que sugieren que es completamente factible, así que estamos trabajando para demostrarlo completamente. Pero creo que esto es tan visionario como el artículo original de Kane ".

La construcción de una computadora cuántica se ha denominado la 'carrera espacial del siglo XXI', un desafío difícil y ambicioso con el potencial de ofrecer herramientas revolucionarias para abordar cálculos que de otro modo serían imposibles. con una gran cantidad de aplicaciones útiles en el cuidado de la salud, defensa, Finanzas, desarrollo de química y materiales, depuración de software, aeroespacial y transporte. Su velocidad y potencia radican en el hecho de que los sistemas cuánticos pueden albergar múltiples 'superposiciones' de diferentes estados iniciales, y en el espeluznante 'entrelazamiento' que solo ocurre a nivel cuántico las partículas fundamentales.

"Se necesitará una gran ingeniería para llevar la computación cuántica a la realidad comercial, y el trabajo que vemos de este equipo extraordinario pone a Australia en el asiento del conductor, "dijo Mark Hoffman, Decano de Ingeniería de la UNSW. "Es un gran ejemplo de cómo UNSW, como muchas de las principales universidades de investigación del mundo, se encuentra hoy en el corazón de un sofisticado sistema de conocimiento global que está dando forma a nuestro futuro ".

El equipo de UNSW ha llegado a un acuerdo de 83 millones de dólares australianos entre UNSW, gigante de telecomunicaciones Telstra, Commonwealth Bank de Australia y los gobiernos de Australia y Nueva Gales del Sur para desarrollar, para 2022, un prototipo de circuito integrado cuántico de silicio de 10 qubit, el primer paso en la construcción de la primera computadora cuántica del mundo en silicio.

En agosto, los socios lanzaron Silicon Quantum Computing Pty Ltd, La primera empresa de computación cuántica de Australia, para avanzar en el desarrollo y comercialización de las tecnologías únicas del equipo. El gobierno de Nueva Gales del Sur prometió 8,7 millones de dólares australianos, UNSW A $ 25 millones, el Commonwealth Bank A $ 14 millones, Telstra A $ 10 millones y el Gobierno Federal A $ 25 millones.