Si alguna vez ha tratado de mantener una conversación en una habitación ruidosa, podrá relacionarse con los científicos e ingenieros que intentan "escuchar" las señales de los dispositivos experimentales de computación cuántica llamados qubits. Estas unidades básicas de las computadoras cuánticas se encuentran en las primeras etapas de su desarrollo y siguen siendo temperamentales, sujetas a todo tipo de interferencias. El "ruido" perdido puede hacerse pasar por un qubit en funcionamiento o incluso dejarlo inoperable.

Es por eso que el físico Christian Boutan y sus colegas del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) estaban en modo celebración recientemente cuando mostraron el primer qubit superconductor funcional de PNNL. No hay mucho que mirar. Su caja, del tamaño de un paquete de chicle, está conectada a cables que transmiten señales a un panel cercano de receptores de radiofrecuencia personalizados. Pero lo más importante, está ubicado dentro de un capullo de oro brillante llamado refrigerador de dilución y protegido de señales eléctricas perdidas. Cuando el refrigerador está funcionando, se encuentra entre los lugares más fríos de la Tierra, muy cerca del cero absoluto, menos de 6 milikelvin (alrededor de -460 grados F).

El frío extremo y el aislamiento transforman el sensible dispositivo superconductor en un qubit funcional y ralentizan el movimiento de los átomos que destruirían el estado del qubit. Luego, los investigadores escuchan una señal característica, un parpadeo en sus receptores de radiofrecuencia. La señal es similar a las señales de radar que usan los militares para detectar la presencia de aviones. Al igual que los sistemas de radar tradicionales transmiten ondas de radio y luego escuchan las ondas que regresan, los físicos del PNNL han utilizado una técnica de detección de baja temperatura para "escuchar" la presencia de un qubit al transmitir señales cuidadosamente diseñadas y decodificar el mensaje que regresa.

"Estás susurrando al qubit y escuchando el resonador", dijo Boutan, quien ensambló el primer banco de pruebas de qubit de PNNL. "Si alcanzas la frecuencia correcta con una señal enviada al qubit, verás el pico del cambio del resonador. El estado del qubit cambia la frecuencia del resonador. Ese es el cambio de señal que estamos buscando".

No se trata de medir directamente la señal cuántica, sino de buscar el rastro que deja. Una de las muchas rarezas de la computación cuántica es que los científicos no pueden medir el estado cuántico directamente. Más bien, investigan su impacto en el entorno estratégicamente preparado que lo rodea. Es por eso que la experiencia del PNNL en transmisión de radiofrecuencia y detección de señales ha sido esencial, dijo Boutan. Cualquier ruido de fondo no controlado puede destruir la coherencia del qubit.

Todo este cuidado especial es necesario porque las señales cuánticas que el equipo de investigación está tratando de detectar y registrar pueden ser superadas con bastante facilidad por el "ruido" de una variedad de fuentes, incluidos los materiales en el propio qubit.

Enfoque cuántico

Son los primeros días de la computación cuántica. Los prototipos existentes, como el que funciona en el laboratorio de física del PNNL, podrían compararse con la computadora personal Macintosh cuando el fundador de Apple, Steve Jobs, y sus amigos salieron de su garaje. Excepto que la inversión y lo que está en juego son mucho más altos en esta etapa de la era de la computación cuántica.

Los científicos se centran especialmente en el potencial de las computadoras cuánticas para resolver problemas apremiantes de producción, uso y sostenibilidad de la energía. Es por eso que solo la inversión del gobierno de los EE. UU. asciende a más de mil millones de dólares a través de la Iniciativa Nacional Cuántica y los Centros Nacionales de Investigación de Ciencia de la Información Cuántica (QIS) del Departamento de Energía, que se enfocan en impulsar la ciencia de la computación cuántica.

El PNNL, que contribuye a tres de los cinco centros QIS, está trabajando en varios aspectos de las ciencias de la información cuántica, incluida la revelación y eliminación de las fuentes de interferencia y ruido que sacan a los qubits del estado útil llamado "coherencia", escribiendo códigos informáticos que aprovechar estas computadoras cuánticas y mejorar el diseño de materiales y la construcción de los propios qubits. La investigación de Boutan sobre la detección cuántica de microondas cuenta con el apoyo del programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio del PNNL.

El cuidado y alimentación de los qubits

Los qubits superconductores están hechos de metales exóticos que reaccionan con el oxígeno de la atmósfera, creando óxidos metálicos. Has visto que esto sucede cuando el hierro se oxida.

"Es un problema de materiales", dijo Brent VanDevender, un físico de PNNL que trabaja en fuentes de interferencia en qubits. "Los llamamos sistemas de dos niveles. El término se refiere a todos los defectos en su material, como los óxidos, que pueden imitar el comportamiento del cúbit y robar energía".

El científico de materiales del PNNL, Peter Sushko, y sus colegas están trabajando en el desafío de detener el "óxido" de los cúbits con colaboradores de la Universidad de Princeton a través de su afiliación con el Centro C2QA QIS. Allí, un equipo de investigadores ha desarrollado uno de los cúbits más duraderos que se hayan informado hasta ahora. Y, sin embargo, los óxidos metálicos se forman rápidamente en la superficie expuesta de estos dispositivos qubit superconductores.

Trabajando con sus colaboradores de Princeton, Sushko y su equipo propusieron una capa protectora que puede interferir con el oxígeno en el aire al interactuar con la superficie de los qubits y hacer que se oxiden.

"Nuestro objetivo es eliminar el desorden y ser compatibles con la estructura subyacente", dijo Sushko. "Estamos buscando una capa protectora que se asiente en la parte superior de manera ordenada y prevenga la oxidación, minimizando los efectos del desorden".

Esta investigación se basa en la investigación fundamental realizada por el científico de materiales de PNNL Marvin Warner y sus colegas. Han estado acumulando conocimientos sobre cómo proteger dispositivos superconductores sensibles a base de metal mediante la aplicación de un microrrecubrimiento que protege eficazmente la superficie de los daños que pueden afectar el rendimiento.

"Controlar la química de la superficie para proteger las propiedades cuánticas emergentes de un material es un enfoque importante para desarrollar dispositivos más estables y robustos", dijo Warner. "Se adapta perfectamente a las fortalezas del PNNL como laboratorio de química".

Pronto, el equipo construirá la solución propuesta en el Laboratorio de Nanofabricación de Dispositivos Cuánticos de la Universidad de Princeton. Una vez construido, se someterá a una serie de pruebas. Si tiene éxito, el qubit podría estar listo para pruebas rigurosas de su longevidad cuando se enfrente al bombardeo que destruye la coherencia del qubit por parte de la radiación atmosférica, también conocida como rayos cósmicos.

Pasando a la clandestinidad

Puede contar con los dedos de una mano la cantidad de lugares en los Estados Unidos establecidos para estudiar la fidelidad de qubit en un entorno subterráneo bien protegido. Pronto el PNNL estará entre ellos. Los preparativos están en marcha para establecer una instalación de prueba subterránea de qubit dentro del Laboratorio Subterráneo Poco Profundo de PNNL. Décadas de investigación sobre los efectos de la radiación ionizante han preparado a los científicos del PNNL para establecer qué tan bien los dispositivos cuánticos pueden tolerar la interferencia del bombardeo de fuentes de radiación natural. Aquí, los investigadores y los técnicos están ocupados instalando un refrigerador de dilución similar al del laboratorio de física del PNNL.

Dentro de una sala ultralimpia con síntesis de material ultrapuro líder en el mundo y detección de radiación de fondo ultrabaja, los qubits experimentales se pondrán a prueba en un entorno personalizado protegido con plomo que reduce los rayos gamma externos en más del 99 por ciento.

Dentro de un año, el PNNL estará preparado para completar el ciclo completo de pruebas de cúbits, desde el diseño y la teoría hasta la microfabricación, las pruebas ambientales y la implementación con socios de investigación.

"Las computadoras cuánticas completamente funcionales solo serán útiles cuando se vuelvan confiables", dijo Warner. "Con nuestros socios de investigación, nos estamos preparando hoy para ayudar a marcar el comienzo de esa era hoy". + Explora más

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