Los investigadores del MIT han introducido una arquitectura de computación cuántica que puede realizar cálculos cuánticos de bajo error al mismo tiempo que comparte rápidamente información cuántica entre procesadores. El trabajo representa un avance clave hacia una plataforma completa de computación cuántica.

Antes de este descubrimiento, Los procesadores cuánticos a pequeña escala han realizado tareas con éxito a un ritmo exponencialmente más rápido que el de las computadoras clásicas. Sin embargo, Ha sido difícil comunicar de forma controlable información cuántica entre partes distantes de un procesador. En las computadoras clásicas, Las interconexiones cableadas se utilizan para enrutar información de ida y vuelta a través de un procesador durante el curso de un cálculo. En una computadora cuántica, sin embargo, la información en sí es mecánica cuántica y frágil, requiriendo estrategias fundamentalmente nuevas para procesar y comunicar simultáneamente información cuántica en un chip.

"Uno de los principales desafíos a la hora de escalar las computadoras cuánticas es permitir que los bits cuánticos interactúen entre sí cuando no están ubicados en el mismo lugar, "dice William Oliver, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática, Miembro del Laboratorio Lincoln del MIT, y director asociado del Laboratorio de Investigación de Electrónica. "Por ejemplo, los qubits vecinos más cercanos pueden interactuar fácilmente, pero ¿cómo puedo hacer 'interconexiones cuánticas' que conecten qubits en ubicaciones distantes? "

La respuesta está en ir más allá de las interacciones convencionales entre luz y materia.

Si bien los átomos naturales son pequeños y puntuales con respecto a la longitud de onda de la luz con la que interactúan, en un artículo publicado en la revista Naturaleza , los investigadores muestran que este no tiene por qué ser necesariamente el caso de los "átomos artificiales" superconductores. En lugar de, han construido "átomos gigantes" a partir de bits cuánticos superconductores, o qubits, conectado en una configuración sintonizable a una línea de transmisión de microondas, o guía de ondas.

Esto permite a los investigadores ajustar la fuerza de las interacciones qubit-guía de ondas para que los frágiles qubits puedan protegerse de la decoherencia. o una especie de descomposición natural que de otro modo sería acelerada por la guía de ondas, mientras realizan operaciones de alta fidelidad. Una vez realizados esos cálculos, se reajusta la fuerza de los acoplamientos qubit-guía de ondas, y los qubits pueden liberar datos cuánticos en la guía de ondas en forma de fotones, o partículas ligeras.

"El acoplamiento de un qubit a una guía de ondas suele ser bastante malo para las operaciones de qubit, ya que hacerlo puede reducir significativamente la vida útil del qubit, "dice Bharath Kannan, Becario graduado del MIT y primer autor del artículo. "Sin embargo, la guía de ondas es necesaria para liberar y enrutar información cuántica a través del procesador. Aquí, hemos demostrado que es posible preservar la coherencia del qubit aunque esté fuertemente acoplado a una guía de ondas. Entonces tenemos la capacidad de determinar cuándo queremos liberar la información almacenada en el qubit. Hemos demostrado cómo se pueden utilizar átomos gigantes para activar y desactivar la interacción con la guía de ondas ".

El sistema realizado por los investigadores representa un nuevo régimen de interacciones luz-materia, dicen los investigadores. A diferencia de los modelos que tratan a los átomos como objetos puntuales más pequeños que la longitud de onda de la luz con la que interactúan, los qubits superconductores, o átomos artificiales, son esencialmente grandes circuitos eléctricos. Cuando se combina con la guía de ondas, crean una estructura tan grande como la longitud de onda de la luz de microondas con la que interactúan.

El átomo gigante emite su información como fotones de microondas en múltiples ubicaciones a lo largo de la guía de ondas, de modo que los fotones interfieran entre sí. Este proceso se puede ajustar para completar la interferencia destructiva, lo que significa que la información en el qubit está protegida. Es más, incluso cuando no se liberan fotones del átomo gigante, múltiples qubits a lo largo de la guía de ondas aún pueden interactuar entre sí para realizar operaciones. A lo largo de, los qubits permanecen fuertemente acoplados a la guía de ondas, pero debido a este tipo de interferencia cuántica, pueden permanecer intactos y estar protegidos de la decoherencia, mientras que las operaciones de uno y dos qubits se realizan con alta fidelidad.

"Usamos los efectos de interferencia cuántica habilitados por los átomos gigantes para evitar que los qubits emitan su información cuántica a la guía de ondas hasta que la necesitemos". dice Oliver.

"Esto nos permite probar experimentalmente un nuevo régimen de física al que es difícil acceder con átomos naturales, ", dice Kannan." Los efectos del átomo gigante son extremadamente limpios y fáciles de observar y comprender ".

El trabajo parece tener mucho potencial para futuras investigaciones, Kannan agrega.

"Creo que una de las sorpresas es en realidad la relativa facilidad con la que los qubits superconductores pueden entrar en este régimen de átomo gigante". él dice. "Los trucos que empleamos son relativamente simples y, como tal, uno puede imaginar usar esto para otras aplicaciones sin una gran cantidad de gastos adicionales ".

El tiempo de coherencia de los qubits incorporados a los átomos gigantes, es decir, el tiempo que permanecieron en un estado cuántico, fue de aproximadamente 30 microsegundos, casi lo mismo para qubits no acoplados a una guía de ondas, que tienen un rango de entre 10 y 100 microsegundos, según los investigadores.

Adicionalmente, la investigación demuestra operaciones de entrelazado de dos qubit con una fidelidad del 94 por ciento. Esta representa la primera vez que los investigadores han citado una fidelidad de dos qubits para los qubits que estaban fuertemente acoplados a una guía de ondas. porque la fidelidad de tales operaciones usando átomos pequeños convencionales es a menudo baja en tal arquitectura. Con más calibración, procedimientos de puesta a punto de funcionamiento y diseño de hardware optimizado, Kannan dice:la fidelidad se puede mejorar aún más.