Computadoras cuánticas que son capaces de resolver problemas complejos, como el diseño de fármacos o el aprendizaje automático, Requerirá millones de bits cuánticos, o qubits, conectados de manera integrada y diseñados para corregir errores que inevitablemente ocurren en sistemas cuánticos frágiles.

Ahora, un equipo de investigación australiano ha realizado experimentalmente una combinación crucial de estas capacidades en un chip de silicio, acercando el sueño de una computadora cuántica universal a la realidad.

Han demostrado una plataforma de qubit de silicio integrada que combina la direccionabilidad de un solo espín (la capacidad de 'escribir' información en un qubit de un solo espín sin molestar a sus vecinos) y un proceso de 'lectura' de qubit que será vital para la corrección de errores cuánticos .

Es más, su nuevo diseño integrado puede fabricarse utilizando tecnología bien establecida utilizada en la industria informática existente.

El equipo está dirigido por el profesor de Scientia Andrew Dzurak de la Universidad de Nueva Gales del Sur en Sydney. líder de programa en el Centro de Excelencia para Computación Cuántica y Tecnología de la Comunicación (CQC2T) y Director del nodo NSW de la Instalación Nacional de Fabricación de Australia.

El año pasado, Dzurak y sus colegas publicaron un diseño para una nueva arquitectura de chip que podría permitir realizar cálculos cuánticos utilizando componentes CMOS de silicio (semiconductores de óxido de metal complementarios), la base de todos los chips de computadora modernos.

En su nuevo estudio, publicado hoy en la revista Comunicaciones de la naturaleza , el equipo combina dos técnicas cuánticas fundamentales por primera vez, confirmando la promesa de su enfoque.

El equipo de Dzurak también había demostrado anteriormente que una plataforma qubit de silicio integrada puede funcionar con direccionabilidad de un solo giro:la capacidad de rotar un solo giro sin molestar a sus vecinos.

Ahora han demostrado que pueden combinar esto con un tipo especial de proceso de lectura cuántica conocido como bloqueo de giro de Pauli. un requisito clave para los códigos de corrección de errores cuánticos que será necesario para garantizar la precisión en las grandes computadoras cuánticas basadas en espines. Esta nueva combinación de técnicas de control y lectura de qubit es una característica central de su diseño de chip cuántico.

"Hemos demostrado la capacidad de realizar lecturas de giro de Pauli en nuestro dispositivo qubit de silicio, pero, por primera vez, también lo hemos combinado con resonancia de giro para controlar el giro, "dice Dzurak.

"Este es un hito importante para nosotros en el camino hacia la realización de la corrección de errores cuánticos con qubits de espín, que será esencial para cualquier computadora cuántica universal ".

"La corrección de errores cuánticos es un requisito clave en la creación de computación cuántica útil a gran escala porque todos los qubits son frágiles, y debe corregir los errores a medida que surgen, "dice el autor principal, Michael Fogarty, quien realizó los experimentos como parte de su Ph.D. investigación con el profesor Dzurak en UNSW.

"Pero esto crea una sobrecarga significativa en la cantidad de qubits físicos que necesita para que el sistema funcione, "señala Fogarty.

Dzurak dice:"Al utilizar la tecnología CMOS de silicio, tenemos la plataforma ideal para escalar a los millones de qubits que necesitaremos, y nuestros resultados recientes nos brindan las herramientas para lograr la corrección de errores de spin qubit en un futuro cercano ".

"Es otra confirmación de que estamos en el camino correcto. Y también muestra que la arquitectura que hemos desarrollado en UNSW tiene, hasta aquí, no mostró obstáculos para el desarrollo de un chip de computadora cuántica en funcionamiento ".

"Y, Y lo que es más, uno que pueda fabricarse utilizando procesos y componentes bien establecidos en la industria ".

El enfoque único de CQC2T utilizando silicio

Trabajar en silicio es importante no solo porque el elemento es barato y abundante, sino porque ha estado en el corazón de la industria informática mundial durante casi 60 años. Las propiedades del silicio se conocen bien y los chips que contienen miles de millones de transistores convencionales se fabrican habitualmente en grandes instalaciones de producción.

Hace tres años, El equipo de Dzurak publicado en la revista Naturaleza la primera demostración de cálculos de lógica cuántica en un dispositivo de silicio real con la creación de una puerta lógica de dos qubits, el bloque de construcción central de una computadora cuántica.

"Esos fueron los primeros pasos de bebé, las primeras demostraciones de cómo convertir este concepto radical de computación cuántica en un dispositivo práctico utilizando componentes que sustentan toda la computación moderna, "dice el profesor Mark Hoffman, Decano de Ingeniería de la UNSW.

"Nuestro equipo tiene ahora un plan para ampliarlo drásticamente.

"Hemos estado probando elementos de este diseño en el laboratorio, con resultados muy positivos. Solo tenemos que seguir construyendo sobre eso, lo que sigue siendo un gran desafío, pero la base está ahí, y es muy alentador.

"Todavía se necesitará una gran ingeniería para llevar la computación cuántica a la realidad comercial, pero claramente el trabajo que vemos de este extraordinario equipo en CQC2T pone a Australia en el asiento del conductor, "añadió.

Otros autores de la nueva Comunicaciones de la naturaleza papel son los investigadores de la UNSW Kok Wai Chan, Bas Hensen, Wister Huang, Tuomo Tanttu, Henry Yang, Arne Laucht, Fay Hudson y Andrea Morello, así como Menno Veldhorst de QuTech y TU Delft, Thaddeus Ladd de HRL Laboratories y Kohei Itoh de la Universidad Keio de Japón.

Comercialización de la propiedad intelectual de CQC2T

En 2017, un consorcio de gobiernos australianos, La industria y las universidades establecieron la primera empresa de computación cuántica de Australia en comercializar la propiedad intelectual líder mundial de CQC2T.

Operando desde nuevos laboratorios en UNSW, Silicon Quantum Computing Pty Ltd (SQC) tiene el objetivo de producir un dispositivo de demostración de 10 qubit en silicio para 2022, como el precursor de la creación de una computadora cuántica basada en silicio.

El trabajo de Dzurak y su equipo será un componente para que SQC haga realidad esa ambición. Los científicos e ingenieros de UNSW en CQC2T están desarrollando enfoques paralelos patentados utilizando qubits de un solo átomo y de puntos cuánticos.

En mayo de 2018, el entonces Primer Ministro de Australia, Malcolm Turnbull, y el presidente de Francia, Emmanuel Macron, anunció la firma de un Memorando de Entendimiento (MoU) que aborda una nueva colaboración entre SQC y la organización francesa de investigación y desarrollo líder en el mundo, Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA).

El MoU describió planes para formar una empresa conjunta en tecnología de computación cuántica de silicio-CMOS para acelerar y enfocar el desarrollo de tecnología. así como para capturar oportunidades de comercialización, uniendo los esfuerzos franceses y australianos para desarrollar una computadora cuántica.

La empresa conjunta australiana-francesa propuesta reuniría al equipo de Dzurak, ubicado en UNSW, con un equipo dirigido por la Dra. Maud Vinet de CEA, que son expertos en tecnología avanzada de fabricación CMOS, y que también han demostrado recientemente un qubit de silicio fabricado utilizando su instalación de creación de prototipos a escala industrial en Grenoble.

Se estima que las industrias que comprenden aproximadamente el 40% de la economía actual de Australia podrían verse afectadas significativamente por la computación cuántica.

Las posibles aplicaciones incluyen el diseño de software, aprendizaje automático, programación y planificación logística, análisis financiero, modelado del mercado de valores, verificación de software y hardware, modelado climático, diseño y prueba rápidos de fármacos, y detección y prevención tempranas de enfermedades.