El año pasado, Google produjo una computadora cuántica de 53 qubits que podía realizar un cálculo específico significativamente más rápido que la supercomputadora más rápida del mundo. Como la mayoría de las computadoras cuánticas más grandes de la actualidad, este sistema cuenta con decenas de qubits, las contrapartes cuánticas de los bits, que codifican información en computadoras convencionales.

Para hacer sistemas más grandes y útiles, la mayoría de los prototipos actuales deberán superar los desafíos de estabilidad y escalabilidad. Esto último requerirá aumentar la densidad de señalización y cableado, lo cual es difícil de hacer sin degradar la estabilidad del sistema. Creo que un nuevo esquema de cableado de circuitos desarrollado durante los últimos tres años por el equipo de investigación de electrónica cuántica superconductora de RIKEN, en colaboración con otros institutos, abre la puerta a escalar hasta 100 o más qubits en la próxima década. Aquí, Hablo de cómo.

Desafío uno:escalabilidad

Las computadoras cuánticas procesan información mediante interacciones delicadas y complejas basadas en los principios de la mecánica cuántica. Para explicar esto con más detalle debemos entender los qubits. Una computadora cuántica se construye a partir de qubits individuales, que son análogos a los bits binarios utilizados en las computadoras convencionales. Pero en lugar de los estados binarios cero o uno de un bit, un qubit necesita mantener un estado cuántico muy frágil. En lugar de ser cero o uno, Los qubits también pueden estar en un estado llamado superposición, donde están en un estado de cero y uno al mismo tiempo. Esto permite que las computadoras cuánticas basadas en qubits procesen datos en paralelo para cada estado lógico posible, cero o uno, y, por lo tanto, pueden funcionar de manera más eficiente, y así más rápido, cálculos que las computadoras convencionales basados ​​en bits para tipos particulares de problemas.

Sin embargo, es mucho más difícil crear un qubit que un bit convencional, y se necesita un control total sobre el comportamiento mecánico-cuántico de un circuito. Los científicos han encontrado algunas formas de hacer esto con cierta confiabilidad. En RIKEN, Se utiliza un circuito superconductor con un elemento llamado unión de Josephson para crear un efecto mecánico cuántico útil. De este modo, Los qubits ahora se pueden producir de manera confiable y repetida con técnicas de nanofabricación comúnmente utilizadas en la industria de los semiconductores.

El desafío de la escalabilidad surge del hecho de que cada qubit necesita cableado y conexiones que produzcan controles y lecturas con una diafonía mínima. A medida que pasamos por pequeñas matrices de qubits de dos por dos o cuatro por cuatro, nos hemos dado cuenta de cuán densamente se puede empaquetar el cableado asociado, y hemos tenido que crear mejores sistemas y métodos de fabricación para evitar que nuestros cables se crucen, literalmente.

En RIKEN, hemos construido una matriz de qubits de cuatro por cuatro utilizando nuestro propio esquema de cableado, donde las conexiones a cada qubit se hacen verticalmente desde la parte trasera de un chip, en lugar de una interfaz separada de 'chip giratorio' utilizada por otros grupos que lleva las almohadillas de cableado a los bordes de un chip cuántico. Esto implica una fabricación sofisticada con una densa matriz de vías superconductoras (conexiones eléctricas) a través de un chip de silicio, pero debería permitirnos escalar a dispositivos mucho más grandes. Nuestro equipo está trabajando para lograr un dispositivo de 64 qubit, que esperamos tener en los próximos tres años. A esto le seguirá un dispositivo de 100 qubit en otros cinco años como parte de un programa de investigación financiado a nivel nacional. En última instancia, esta plataforma debería permitir hasta 1, 000 qubits para integrarse en un solo chip.

Desafío dos:estabilidad

El otro gran desafío para las computadoras cuánticas es cómo lidiar con la vulnerabilidad intrínseca de los qubits a las fluctuaciones o al ruido de fuerzas externas como la temperatura. Para que funcione un qubit, necesita mantenerse en un estado de superposición cuántica, o "coherencia cuántica". En los primeros días de los qubits superconductores, podríamos hacer que este estado dure solo nanosegundos. Ahora, enfriando las computadoras cuánticas a temperaturas criogénicas y creando varios otros controles ambientales, podemos mantener la coherencia hasta por 100 microsegundos. Unos cientos de microsegundos nos permitirían realizar algunos miles de operaciones de procesamiento de información, de media, antes de que se pierda la coherencia.

En teoria, Una forma en que podríamos lidiar con la inestabilidad es usar la corrección de errores cuánticos, donde explotamos varios qubits físicos para codificar un solo "qubit lógico, "y aplicar un protocolo de corrección de errores que pueda diagnosticar y corregir errores para proteger el qubit lógico. Pero darse cuenta de que esto aún está lejos por muchas razones, no es el menor de los cuales es el problema de la escalabilidad.

Circuitos cuánticos

Desde la década de 1990, antes de que la computación cuántica se convirtiera en algo importante. Cuando comencé Estaba interesado en saber si mi equipo podía crear y medir estados de superposición cuántica dentro de circuitos eléctricos. En el momento, No era del todo obvio si los circuitos eléctricos en su conjunto podían comportarse mecánicamente cuánticamente. Para realizar un qubit estable en un circuito y crear estados de encendido y apagado en el circuito, el circuito también necesitaba ser capaz de soportar un estado de superposición.

Finalmente se nos ocurrió la idea de utilizar un circuito superconductor. El estado superconductor está libre de toda resistencia eléctrica y pérdidas, por lo que está optimizado para responder a pequeños efectos mecánicos cuánticos. Para probar este circuito, utilizamos una isla superconductora a microescala hecha de aluminio, que estaba conectado a un electrodo de tierra superconductor más grande a través de una unión de Josephson, una unión separada por una barrera aislante de nanómetros de espesor, y atrapamos pares de electrones superconductores que formaban un túnel a través de la unión. Debido a la pequeñez de la isla de aluminio, podría acomodar como máximo un par en exceso debido a un efecto conocido como bloqueo de Coulomb entre pares cargados negativamente. Los estados de cero o un par en exceso en la isla se pueden usar como el estado de un qubit. El túnel de la mecánica cuántica mantiene la coherencia del qubit y nos permite crear una superposición de los estados, que está totalmente controlado con pulsos de microondas.

Sistemas híbridos

Debido a su naturaleza muy delicada, Es poco probable que las computadoras cuánticas estén en los hogares en un futuro próximo. Sin embargo, reconociendo los enormes beneficios de las computadoras cuánticas orientadas a la investigación, gigantes industriales como Google e IBM, así como muchas empresas emergentes e institutos académicos de todo el mundo, están invirtiendo cada vez más en investigación.

Una plataforma comercial de computación cuántica con corrección total de errores probablemente aún esté a más de una década de distancia, pero los avances técnicos de vanguardia ya están generando la posibilidad de nuevas ciencias y aplicaciones. Los circuitos cuánticos de menor escala ya realizan tareas útiles en el laboratorio.

Por ejemplo, utilizamos nuestra plataforma de circuito cuántico superconductor en combinación con otros sistemas mecánicos cuánticos. Este sistema cuántico híbrido nos permite medir una única reacción cuántica dentro de excitaciones colectivas, ya sean precesiones de espines de electrones en un imán, vibraciones de la red cristalina en un sustrato, o campos electromagnéticos en un circuito, con una sensibilidad sin precedentes. Estas medidas deberían mejorar nuestra comprensión de la física cuántica, y con ella la computación cuántica. Nuestro sistema también es lo suficientemente sensible como para medir un solo fotón a frecuencias de microondas, cuya energía es aproximadamente cinco órdenes de magnitud menor que la de un fotón de luz visible, sin absorberlo ni destruirlo. La esperanza es que esto sirva como un bloque de construcción para las redes cuánticas que conectan módulos qubit distantes, entre otras cosas.

Internet cuántico

La interconexión de una computadora cuántica superconductora con una red de comunicación cuántica óptica es otro desafío futuro para nuestro sistema híbrido. Esto se desarrollaría en anticipación a un futuro que incluye una Internet cuántica conectada por cableado óptico que recuerda a la Internet de hoy. Sin embargo, incluso un solo fotón de luz infrarroja en una longitud de onda de telecomunicaciones no puede golpear directamente un qubit superconductor sin perturbar la información cuántica, un diseño tan cuidadoso es imprescindible. Actualmente estamos investigando sistemas cuánticos híbridos que transducen señales cuánticas de un qubit superconductor a un fotón infrarrojo, y viceversa, a través de otros sistemas cuánticos, como uno que involucra un oscilador acústico diminuto.

Aunque es necesario superar muchos problemas complejos, los científicos pueden ver un futuro mejorado por las computadoras cuánticas en el horizonte. De hecho, La ciencia cuántica ya está en nuestras manos todos los días. Los transistores y los diodos láser nunca se habrían inventado sin una comprensión adecuada de las propiedades de los electrones en los semiconductores. que se basa totalmente en la comprensión de la mecánica cuántica. Entonces, a través de teléfonos inteligentes e Internet, ya somos totalmente dependientes de la mecánica cuántica, y solo lo haremos más en el futuro.