La practicidad de la computación cuántica depende de la integridad del bit cuántico, o qubit.

Qubits, los elementos lógicos de las computadoras cuánticas, son sistemas coherentes de dos niveles que representan información cuántica. Cada qubit tiene la extraña habilidad de estar en una superposición cuántica, llevando aspectos de ambos estados simultáneamente, permitiendo una versión cuántica de la computación paralela. Computadoras cuánticas, si se pueden escalar para acomodar muchos qubits en un procesador, podría ser vertiginosamente más rápido, y capaz de manejar problemas mucho más complejos, que las computadoras convencionales de hoy.

Pero todo depende de la integridad de un qubit, o cuánto tiempo puede operar antes de que se pierda su superposición y la información cuántica, un proceso llamado decoherencia, lo que en última instancia limita el tiempo de ejecución de la computadora. Los qubits superconductores, una modalidad de qubit líder en la actualidad, han logrado una mejora exponencial en esta métrica clave, de menos de un nanosegundo en 1999 a alrededor de 200 microsegundos en la actualidad para los dispositivos de mejor rendimiento.

Pero los investigadores del MIT, Laboratorio Lincoln del MIT, y el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) han descubierto que el rendimiento de un qubit pronto chocará contra una pared. En un artículo publicado en Naturaleza , el equipo informa que el nivel bajo, La radiación de fondo, por lo demás inofensiva, emitida por oligoelementos en los muros de hormigón y los rayos cósmicos entrantes son suficientes para causar decoherencia en qubits. Descubrieron que este efecto, si no se mitiga, limitará el rendimiento de los qubits a unos pocos milisegundos.

Dada la velocidad a la que los científicos han mejorado los qubits, pueden chocar contra esta pared inducida por la radiación en unos pocos años. Para superar esta barrera, los científicos tendrán que encontrar formas de proteger los qubits, y cualquier computadora cuántica práctica, de la radiación de bajo nivel, quizás construyendo las computadoras bajo tierra o diseñando qubits que sean tolerantes a los efectos de la radiación.

"Estos mecanismos de decoherencia son como una cebolla, y hemos estado despegando las capas durante los últimos 20 años, pero hay otra capa que no ha disminuido nos va a limitar en un par de años, que es la radiación ambiental, "dice William Oliver, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática y miembro del Laboratorio Lincoln del MIT. "Este es un resultado emocionante, porque nos motiva a pensar en otras formas de diseñar qubits para solucionar este problema ".

El autor principal del artículo es Antti Vepsäläinen, un postdoctorado en el Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT.

"Es fascinante lo sensibles que son los qubits superconductores a la radiación débil. Comprender estos efectos en nuestros dispositivos también puede ser útil en otras aplicaciones, como los sensores superconductores utilizados en astronomía, "Vepsäläinen dice.

Los coautores del MIT incluyen a Amir Karamlou, Akshunna Dogra, Francisca Vasconcelos, Simon Gustavsson, y el profesor de física Joseph Formaggio, junto con David Kim, Alexander Melville, Bethany Niedzielski, y Jonilyn Yoder en el Laboratorio Lincoln, y John Orrell, Ben Loer, y Brent VanDevender de PNNL.

Un efecto cósmico

Los qubits superconductores son circuitos eléctricos hechos de materiales superconductores. Comprenden multitud de electrones emparejados, conocidos como pares de Cooper, que fluyen a través del circuito sin resistencia y trabajan juntos para mantener el tenue estado de superposición del qubit. Si el circuito se calienta o se interrumpe, los pares de electrones se pueden dividir en "cuasipartículas, "provocando una decoherencia en el qubit que limita su funcionamiento.

Hay muchas fuentes de decoherencia que podrían desestabilizar un qubit, como campos eléctricos y magnéticos fluctuantes, energía térmica, e incluso interferencia entre qubits.

Los científicos han sospechado durante mucho tiempo que niveles muy bajos de radiación pueden tener un efecto desestabilizador similar en los qubits.

"Yo los últimos cinco años, la calidad de los qubits superconductores se ha vuelto mucho mejor, y ahora estamos dentro de un factor de 10 de donde van a importar los efectos de la radiación, "agrega Kim, miembro del personal técnico de MIT Lincoln Laboratotry.

Entonces, Oliver y Formaggio se unieron para ver cómo podrían determinar el efecto de la radiación ambiental de bajo nivel en los qubits. Como físico de neutrinos, Formaggio tiene experiencia en el diseño de experimentos que protegen contra las fuentes de radiación más pequeñas, para poder ver neutrinos y otras partículas difíciles de detectar.

"La calibración es clave"

El equipo, trabajando con colaboradores en Lincoln Laboratory y PNNL, Primero tuvo que diseñar un experimento para calibrar el impacto de los niveles conocidos de radiación en el rendimiento de los qubit superconductores. Para hacer esto, necesitaban una fuente radioactiva conocida, una que se volviera menos radioactiva lo suficientemente lento como para evaluar el impacto a niveles de radiación esencialmente constantes, pero lo suficientemente rápido como para evaluar una variedad de niveles de radiación en unas pocas semanas, hasta el nivel de radiación de fondo.

El grupo optó por irradiar una lámina de cobre de alta pureza. Cuando se expone a un alto flujo de neutrones, el cobre produce copiosas cantidades de cobre-64, un isótopo inestable con exactamente las propiedades deseadas.

"El cobre simplemente absorbe neutrones como una esponja, "dice Formaggio, que trabajó con operadores del Laboratorio de Reactores Nucleares del MIT para irradiar dos pequeños discos de cobre durante varios minutos. Luego colocaron uno de los discos junto a los qubits superconductores en un refrigerador de dilución en el laboratorio de Oliver en el campus. A temperaturas unas 200 veces más frías que el espacio exterior, midieron el impacto de la radioactividad del cobre en la coherencia de los qubits mientras que la radioactividad disminuía, hacia los niveles ambientales de fondo.

La radiactividad del segundo disco se midió a temperatura ambiente como un indicador de los niveles que alcanzaban el qubit. A través de estas mediciones y simulaciones relacionadas, el equipo comprendió la relación entre los niveles de radiación y el rendimiento de los qubits, uno que podría usarse para inferir el efecto de la radiación ambiental de origen natural. Basado en estas medidas, el tiempo de coherencia de qubit se limitaría a unos 4 milisegundos.

"No se acabó el juego"

Luego, el equipo eliminó la fuente radiactiva y procedió a demostrar que proteger a los qubits de la radiación ambiental mejora el tiempo de coherencia. Para hacer esto, Los investigadores construyeron una pared de 2 toneladas de ladrillos de plomo que se podían subir y bajar en un elevador de tijera. para proteger o exponer el refrigerador a la radiación circundante.

"Construimos un pequeño castillo alrededor de esta nevera, "Oliver dice.

Cada 10 minutos, y durante varias semanas, los estudiantes en el laboratorio de Oliver alternaban presionando un botón para levantar o bajar la pared, como un detector midió la integridad de los qubits, o "tasa de relajación, "una medida de cómo la radiación ambiental impacta el qubit, con y sin escudo. Al comparar los dos resultados, extrajeron efectivamente el impacto atribuido a la radiación ambiental, confirmando la predicción de 4 milisegundos y demostrando que el blindaje mejoró el rendimiento del qubit.

"La radiación de rayos cósmicos es difícil de eliminar, "Dice Formaggio." Es muy penetrante, y atraviesa todo como una corriente en chorro. Si vas a la clandestinidad que se pone cada vez menos. Probablemente no sea necesario construir computadoras cuánticas a gran profundidad, como experimentos de neutrinos, pero tal vez las instalaciones de sótanos profundos probablemente podrían hacer que los qubits funcionen a niveles mejorados ".

Pasar a la clandestinidad no es la única opción, y Oliver tiene ideas sobre cómo diseñar dispositivos de computación cuántica que aún funcionen frente a la radiación de fondo.

"Si queremos construir una industria, probablemente preferiríamos mitigar los efectos de la radiación sobre el suelo, "Oliver dice." Podemos pensar en diseñar qubits de una manera que los haga "radicales", 'y menos sensible a las cuasipartículas, o diseñar trampas para cuasipartículas de modo que, incluso si se generan constantemente por radiación, pueden fluir lejos del qubit. Así que definitivamente no se acabó el juego es solo la siguiente capa de la cebolla que debemos abordar ".