Investigadores de Toshiba Corporation han logrado un gran avance en la arquitectura de computadoras cuánticas:el diseño básico para un acoplador de doble transmisión que mejorará la velocidad y la precisión de la computación cuántica en acopladores sintonizables. El acoplador es un dispositivo clave para determinar el rendimiento de las computadoras cuánticas superconductoras.

Los acopladores sintonizables en una computadora cuántica superconductora vinculan dos qubits y realizan cálculos cuánticos activando y desactivando el acoplamiento entre ellos. La tecnología actual puede desactivar el acoplamiento de qubits transmon con frecuencias cercanas, pero esto es propenso a errores de diafonía que ocurren en uno de los qubits cuando el otro qubit se irradia con ondas electromagnéticas para el control. Además, la tecnología actual no puede desactivar por completo el acoplamiento de qubits con frecuencias significativamente diferentes, lo que genera errores debido al acoplamiento residual.

Toshiba ha diseñado recientemente un acoplador de doble transmon que puede activar y desactivar por completo el acoplamiento entre qubits con frecuencias significativamente diferentes. El encendido completo permite cálculos cuánticos de alta velocidad con un fuerte acoplamiento, mientras que el apagado completo elimina el acoplamiento residual, lo que mejora la velocidad y la precisión del cálculo cuántico. Las simulaciones con la nueva tecnología han demostrado que realiza puertas de dos qubits, operaciones básicas en computación cuántica, con una precisión del 99,99 % y un tiempo de procesamiento de solo 24 ns.

El acoplador transmon doble de Toshiba se puede aplicar a qubits transmon de frecuencia fija, logrando una alta estabilidad y facilidad de diseño. Es el primero en realizar el acoplamiento entre qubits transmon de frecuencia fija con frecuencias significativamente diferentes que pueden activarse y desactivarse por completo, y en ofrecer una puerta de dos qubits precisa y de alta velocidad.

Se espera que la tecnología avance en la realización de computadoras cuánticas de mayor rendimiento que contribuirán en áreas como el logro de la neutralidad de carbono y el desarrollo de nuevos medicamentos. Los detalles de la tecnología se publicaron en Physical Review Applied .

Antecedentes de desarrollo

La mecánica cuántica describe el mundo invisible de los átomos y las moléculas usando estados de superposición cuántica, lo que permite que un sistema físico parezca estar en dos estados completamente diferentes simultáneamente. Los ordenadores cuánticos hacen uso de esta misteriosa propiedad para realizar cálculos que son prácticamente imposibles con los ordenadores convencionales, una capacidad que ha llamado mucho la atención en los últimos años.

Las computadoras cuánticas usan qubits en estados de superposición cuántica de 0 y 1 para ejecutar cálculos. Cualquier computación cuántica se ejecuta con dos operaciones básicas, puertas de un solo qubit y puertas de dos qubit. Para realizar computadoras cuánticas de alto rendimiento, necesitamos operaciones de puerta rápidas y precisas.

El desarrollo de computadoras cuánticas se está promoviendo en todo el mundo, y esto ha visto la adopción de múltiples enfoques, con propuestas que van desde la manipulación de átomos o iones individuales hasta el uso de semiconductores y circuitos superconductores. Ahora se considera que el enfoque del circuito superconductor tiene una ventaja en términos de realizar estados de superposición cuántica en circuitos grandes y en la relativa facilidad de lograr el fuerte acoplamiento de qubits esencial para la ejecución de alta velocidad de puertas de dos qubits.

El acoplamiento de qubits se realiza con un acoplador. Hasta hace poco, los dispositivos principales eran acopladores fijos con una fuerza de acoplamiento constante, pero ahora la atención se dirige a los acopladores ajustables, que se considera que ofrecen la fuerza de acoplamiento ajustable necesaria para mejorar el rendimiento.

Los acopladores ajustables logran requisitos contradictorios:una puerta rápida de dos qubits con un fuerte acoplamiento, junto con la capacidad de reducir los errores del acoplamiento residual desactivando el acoplamiento. Además, es preferible que el qubit utilizado en los cálculos sea un qubit transmon de frecuencia fija, que es muy estable, tiene una estructura simple y es fácil de fabricar.

Además, la frecuencia de los dos qubits que se acoplan debe ser significativamente diferente, ya que esto reduce los errores de diafonía y es resistente a las desviaciones de los valores de diseño de las frecuencias de los qubits, lo que mejora el rendimiento en la fabricación de dispositivos. El problema aquí, sin embargo, es que ningún acoplador sintonizable aún ha podido combinar el desacoplamiento completo y las operaciones rápidas de puerta de dos qubits para dos qubits transmon de frecuencia fija con frecuencias significativamente diferentes.

Características de la nueva tecnología

Los investigadores de Toshiba han ideado un acoplador transmon doble, el primer acoplador sintonizable del mundo que puede desactivar completamente el acoplamiento y operar las dos puertas qubit a alta velocidad para dos qubits transmon de frecuencia fija con frecuencias significativamente diferentes.

El acoplador transmon doble comprende dos qubits transmon de frecuencia fija, junto con otros dos qubits transmon de frecuencia fija utilizados para el cálculo. El acoplador transmon doble tiene un bucle, y las tres x en el bucle representan dos uniones Josephson transmon y una unión Josephson adicional. El flujo magnético en el bucle, Φex, se puede ajustar mediante un campo magnético externo para llevar la fuerza de acoplamiento entre los qubits en ambos lados a exactamente cero, apagando completamente el acoplamiento.

La fuerza de acoplamiento también se puede aumentar a varias decenas de megahercios aumentando el flujo magnético, lo que realiza operaciones rápidas de puerta de dos qubits. Las simulaciones han demostrado que es posible realizar operaciones de puerta con una precisión del 99,99 %, con tiempos de puerta tan cortos como 24 ns. Por lo tanto, se espera que el acoplador contribuya a las computadoras cuánticas de mayor rendimiento. + Explora más

Un qubit superconductor alternativo logra un alto rendimiento para la computación cuántica