El dispositivo giratorio Qubit está conectado a la placa de circuito en preparación para la medición. Crédito: Serwan Asaad
Los ingenieros cuánticos de la UNSW Sydney eliminaron un obstáculo importante que impedía que las computadoras cuánticas se convirtieran en realidad: descubrieron una nueva técnica que dicen es capaz de controlar millones de qubits de espín: las unidades básicas de información en un procesador cuántico de silicio.
Hasta ahora, los ingenieros y científicos de la computación cuántica han trabajado con un modelo de prueba de concepto de procesadores cuánticos, demostrando el control de solo un puñado de qubits.
Pero con su investigación más reciente, publicada hoy (13 de agosto de 2021) en Science Advances, el equipo ha encontrado lo que considera «la pieza faltante del rompecabezas» en la arquitectura de la computadora cuántica que debería permitir el control de los millones de qubits necesarios para procesos extraordinariamente complejos. cálculos.
El Dr. Jarryd Pla, miembro de la facultad de la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Telecomunicaciones de la UNSW, dice que su equipo de investigación quería resolver el problema que había desconcertado a los científicos de la computación cuántica durante décadas: cómo controlar no solo unos pocos, sino millones de qubits sin tomar ocupa un espacio valioso con más cableado, utilizando más electricidad y generando más calor.
“Hasta este punto, el control de los qubits de espín de electrones dependía de que proporcionáramos campos magnéticos de microondas al poner una corriente a través de un cable justo al lado del qubit”, dice el Dr. Pla.
“Esto plantea algunos desafíos reales si queremos escalar a los millones de qubits que necesitará una computadora cuántica para resolver problemas de importancia mundial, como el diseño de nuevas vacunas.
Dr. Jarryd Pla y el profesor Andrew Dzurak. Crédito: UNSW
“En primer lugar, los campos magnéticos disminuyen muy rápidamente con la distancia, por lo que solo podemos controlar los qubits más cercanos al cable. Esto significa que tendríamos que agregar más y más cables a medida que incorporamos más y más qubits, lo que ocuparía mucho espacio en el chip. «
Y debido a que el chip debe operar a temperaturas extremadamente bajas, por debajo de -270 ° C, el Dr. Pla dice que la introducción de más cables generaría demasiado calor en el chip, interfiriendo con la confiabilidad de los qubits.
“Por lo tanto, una vez más pudimos controlar solo unos pocos qubits con esta técnica de alambre”, dice el Dr. Pla.
momento de la lámpara
La solución a este problema implicó una reconstrucción completa de la estructura del chip de silicio.
En lugar de tener miles de cables de control en el mismo chip de silicio de tamaño miniatura que también debe contener millones de qubits, el equipo analizó la viabilidad de generar un campo magnético sobre el chip que pudiera manipular todos los qubits simultáneamente.
Esta idea de controlar todos los qubits simultáneamente fue postulada por primera vez por científicos de la computación cuántica en la década de 1990, pero hasta ahora nadie ha desarrollado una forma práctica de hacerlo, hasta ahora.
“Primero retiramos el cable cerca de los qubits y luego encontramos una nueva forma de proporcionar campos de control magnético de frecuencia de microondas en todo el sistema. Entonces, en principio, podríamos proporcionar campos de control de hasta cuatro millones de qubits ”, dice el Dr. Pla.
El Dr. Pla y su equipo introdujeron un nuevo componente directamente encima del chip de silicio: un prisma de cristal llamado resonador dieléctrico. Cuando las microondas se dirigen al resonador, concentra la longitud de onda de las microondas a un tamaño mucho más pequeño.
“El resonador dieléctrico encoge la longitud de onda por debajo de un milímetro, por lo que ahora tenemos una conversión muy eficiente de energía de microondas en un campo magnético que controla los espines de todos los qubits.
“Aquí hay dos innovaciones importantes. La primera es que no necesitamos poner mucha energía para obtener un campo de dirección fuerte para los qubits, lo que significa que no generamos mucho calor. La segunda es que el campo es muy uniforme en todo el chip, por lo que millones de qubits experimentan el mismo nivel de control. «
Equipo cuántico
Aunque el Dr. Pla y su equipo desarrollaron el prototipo de la tecnología de resonador, no tenían los qubits de silicio para probarlo. Luego habló con el profesor de ciencias de la ingeniería de la UNSW, Andrew Dzurak, cuyo equipo había demostrado durante la última década la primera y más precisa lógica cuántica utilizando la misma tecnología de fabricación de silicio utilizada para fabricar chips de computadora convencionales.
“Me quedé completamente impresionado cuando Jarryd se acercó a mí con su nueva idea”, dice el Prof. Dzurak, “e inmediatamente comenzamos a trabajar para ver cómo podíamos integrarlo en los chips qubit que desarrolló mi equipo.
“Pusimos a dos de nuestros mejores estudiantes de doctorado en el proyecto, Ensar Vahapoglu, de mi equipo, y James Slack-Smith, de Jarryd.
“Estuvimos muy contentos cuando el experimento tuvo éxito. Este problema de cómo controlar millones de qubits me había estado preocupando durante mucho tiempo, ya que era un gran obstáculo para construir una computadora cuántica a gran escala. «
Una vez que fue solo un sueño en la década de 1980, las computadoras cuánticas que usan miles de qubits para resolver problemas comercialmente importantes pueden estar ahora en menos de una década. Además, deben traer nueva potencia de fuego para resolver los desafíos globales y desarrollar nuevas tecnologías debido a su capacidad para modelar sistemas extraordinariamente complejos.
El cambio climático, el diseño de fármacos y vacunas, el descifrado de códigos y la inteligencia artificial pueden beneficiarse de la tecnología de la computación cuántica.
Mirando para adelante
A continuación, el equipo planea utilizar esta nueva tecnología para simplificar el diseño de procesadores de silicio cuántico a corto plazo.
“Quitar el cable de control en el chip libera espacio para qubits adicionales y todos los demás componentes electrónicos necesarios para construir un procesador cuántico. Esto hace que la tarea de pasar a la siguiente etapa de producción de dispositivos con unas pocas docenas de qubits sea mucho más sencilla ”, dice el Prof. Dzurak.
“Si bien hay desafíos de ingeniería que deben resolverse antes de que se pueda fabricar un millón de procesadores de qubit, estamos entusiasmados de que ahora tengamos una forma de controlarlos”, dijo el Dr. Pla.
Referencia: «Una resonancia de espín de electrones en un dispositivo nanoelectrónico que utiliza un campo global» por Ensar Vahapoglu, James P. Slack-Smith, Ross CC Leon, Wee Han Lim, Fay E. Hudson, Tom Day, Tuomo Tanttu, Chih Hwan Yang, Arne Laucht, Andrew S. Dzurak y Jarryd J. Pla, 13 de agosto de 2021, Science Advances.
DOI: 10.1126 / sciadv.abg9158
