Científicos de todo el mundo trabajan arduamente para eliminar el ruido de los sistemas cuánticos, que puede perturbar el funcionamiento de las poderosas computadoras cuánticas del mañana. Investigadores del Instituto Niels Bohr (NBI) han encontrado una manera de utilizar el ruido para procesar información cuántica. Esto aumenta el rendimiento de la unidad de computación cuántica, el qubit.
Una colaboración internacional dirigida por científicos del Instituto Niels Bohr (NBI) de la Universidad de Copenhague ha demostrado un enfoque alternativo. Su método permite utilizar ruido para procesar información cuántica. Como resultado, el rendimiento de la unidad de información fundamental de la computación cuántica, el qubit, aumenta en un 700 %.
Estos resultados se publican en la revista Nature Communications. .
"Evitar el ruido en los sistemas cuánticos ha resultado difícil, ya que casi cualquier cambio en el entorno puede estropear las cosas. Por ejemplo, su sistema puede estar funcionando en un campo magnético o eléctrico determinado, y si ese campo cambia ligeramente, los efectos cuánticos se desmoronan.
"Sugerimos un enfoque completamente diferente. En lugar de deshacernos del ruido, utilizamos una vigilancia continua del ruido en tiempo real y adaptamos el sistema a medida que ocurren cambios en el entorno", dice Ph.D. Investigador del NBI Fabrizio Berritta, autor principal del estudio.
El nuevo enfoque es posible gracias a los recientes avances en varios campos de alta tecnología.
"Anteriormente, digamos hace 20 años, habría sido posible visualizar las fluctuaciones después del experimento, pero habría sido demasiado lento utilizar esta información durante el experimento real. Usamos tecnología FPGA [field-programable-gate-array] para obtener las mediciones en tiempo real y, además, utilizamos el aprendizaje automático para acelerar el análisis", explica Berritta.
"La idea es obtener las mediciones y realizar el análisis en el mismo microprocesador que ajusta el sistema en tiempo real. De lo contrario, el esquema no sería lo suficientemente rápido para aplicaciones de computación cuántica".
En la informática actual, la unidad básica de información transferible, conocida como bit, está ligada a la carga de los electrones. Sólo puede tener uno de dos valores, uno o cero:hay electrones o no. La unidad de computación cuántica correspondiente, conocida como qubit, podrá asumir más de dos valores.
La cantidad de información contenida por qubit aumentará exponencialmente con la cantidad de propiedades cuánticas que uno sea capaz de controlar, lo que quizás algún día resulte en computadoras que sean increíblemente más poderosas que las computadoras convencionales.
Una piedra angular de la mecánica cuántica es que las partículas elementales no sólo tengan masa y carga, sino también espín. Otro término clave es entrelazamiento. Aquí, dos o más partículas interactúan de tal manera que el estado cuántico de una sola partícula no puede describirse independientemente del estado de las otras.
El protocolo detrás de los nuevos hallazgos integra un qubit de espín singlete-triplete implementado en un punto cuántico doble de arseniuro de galio con controladores de qubit alimentados por FPGA. El qubit involucra dos electrones, con los estados de ambos electrones entrelazados.
Esfuerzo del equipo interdisciplinario
Al igual que otros qubits de espín, el qubit singlete-triplete es vulnerable incluso a pequeñas perturbaciones en su entorno. Los físicos utilizan el término "ruido", que no debe tomarse literalmente como ruido acústico. En relación con los sistemas cuánticos, las perturbaciones como las fluctuaciones del campo eléctrico o magnético pueden estropear los estados cuánticos de interés.
Para demostrar el uso beneficioso de las fluctuaciones ambientales, los investigadores eligieron este qubit porque su acoplamiento tanto con el ruido magnético como con el ruido eléctrico se comprende bien a partir de una serie de estudios anteriores en el NBI, dirigidos por el profesor Ferdinand Kuemmeth, que dirige un grupo de investigación sobre semiconductores y superconductores. dispositivos cuánticos en NBI.
El nuevo estudio reunió a grupos de investigación del NBI, la Universidad Purdue, la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología, las empresas QDevil (Copenhague) y Quantum Machines (Tel Aviv) en una variedad de campos como materiales qubit, fabricación de qubit, hardware de control de qubit, teoría de la información cuántica y aprendizaje automático.
"Esta colaboración ilustra que el desarrollo de ordenadores cuánticos ya no es una actividad que pueda ser impulsada por grupos de físicos individuales. Si quitamos a cualquiera de nuestros socios, este trabajo no habría sido posible", afirma Kuemmeth.
Los investigadores ven el nuevo protocolo como un hito hacia el desarrollo de las computadoras cuánticas, pero también son conscientes de que aún quedan muchos otros hitos por alcanzar.
"El siguiente paso para nosotros será aplicar nuestro protocolo a sistemas de diferentes materiales y con más de un qubit", afirma Berritta. "No puedo decir cuándo veremos la primera computadora cuántica verdaderamente útil. Tal vez dentro de 10 años.
"En cualquier caso, creemos que hemos encontrado un enfoque prometedor. Muchos colegas se centran en eliminar el ruido para desarrollar mejores qubits, por ejemplo mejorando la calidad de los materiales utilizados para fabricar los qubits. Hemos demostrado que bajo ciertas condiciones condiciones que se pueden ajustar activamente para parte del ruido. Esto podría ser relevante para otros tipos de qubits además del tipo de nuestro estudio".
Más información: Fabrizio Berritta et al, Control de dos ejes en tiempo real de un qubit de espín, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45857-0
Proporcionado por el Instituto Niels Bohr
