Qubits desatados: el “interruptor de palanca” del NIST y el futuro de la computación cuántica

Por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) 17 de agosto de 2023

Los científicos del NIST han introducido un dispositivo de "interruptor de palanca" para computadoras cuánticas que ajusta las conexiones entre los qubits y un resonador de lectura. El dispositivo aborda desafíos como el ruido y las limitaciones de reprogramación, allanando el camino para una computación cuántica más flexible y precisa.

El novedoso dispositivo podría conducir a procesadores cuánticos más versátiles con resultados más claros.

¿De qué sirve una computadora poderosa si no puedes leer su salida? ¿O reprogramarlo fácilmente para realizar diferentes trabajos? Las personas que diseñan computadoras cuánticas enfrentan estos desafíos y un nuevo dispositivo puede hacer que sean más fáciles de resolver.

Presentado por un equipo de científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), el dispositivo incluye dos bits cuánticos superconductores, o qubits, que son análogos de una computadora cuántica a los bits lógicos en el chip de procesamiento de una computadora clásica. El corazón de esta nueva estrategia se basa en un dispositivo de "interruptor de palanca" que conecta los qubits a un circuito llamado "resonador de lectura" que puede leer el resultado de los cálculos de los qubits.

Este interruptor de palanca se puede cambiar a diferentes estados para ajustar la fuerza de las conexiones entre los qubits y el resonador de lectura. Cuando está desactivado, los tres elementos están aislados entre sí. Cuando se activa el interruptor para conectar los dos qubits, pueden interactuar y realizar cálculos. Una vez que se completan los cálculos, el interruptor de palanca puede conectar cualquiera de los qubits y el resonador de lectura para recuperar los resultados.

Tener un interruptor de palanca programable contribuye en gran medida a reducir el ruido, un problema común en los circuitos de computadoras cuánticas que dificulta que los qubits realicen cálculos y muestren sus resultados con claridad.

Esta foto muestra la región de trabajo central del dispositivo. En la sección inferior, los tres grandes rectángulos (azul claro) representan los dos bits cuánticos, o qubits, a derecha e izquierda y el resonador en el centro. En la sección superior ampliada, la conducción de microondas a través de la antena (un gran rectángulo azul oscuro en la parte inferior) induce un campo magnético en el bucle SQUID (un cuadrado blanco más pequeño en el centro, cuyos lados miden unos 20 micrómetros de largo). El campo magnético activa el interruptor de palanca. La frecuencia y magnitud de las microondas determinan la posición del interruptor y la fuerza de conexión entre los qubits y el resonador. Crédito: R. Simmonds / NIST

"El objetivo es mantener contentos a los qubits para que puedan calcular sin distracciones, y al mismo tiempo poder leerlos cuando queramos", dijo Ray Simmonds, físico del NIST y uno de los autores del artículo. "Esta arquitectura de dispositivo ayuda a proteger los qubits y promete mejorar nuestra capacidad para realizar las mediciones de alta fidelidad necesarias para construir procesadores de información cuántica a partir de qubits".

The team, which also includes scientists from the University of Massachusetts Lowell, the University of Colorado Boulder, and Raytheon BBN Technologies, describes its results in a paper published recently in the journal Nature PhysicsAs the name implies, Nature Physics is a peer-reviewed, scientific journal covering physics and is published by Nature Research. It was first published in October 2005 and its monthly coverage includes articles, letters, reviews, research highlights, news and views, commentaries, book reviews, and correspondence." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Física de la Naturaleza.

Las computadoras cuánticas, que aún se encuentran en una etapa incipiente de desarrollo, aprovecharían las extrañas propiedades de la mecánica cuántica para realizar tareas que incluso nuestras computadoras clásicas más poderosas consideran intratables, como ayudar en el desarrollo de nuevos medicamentos mediante la realización de sofisticadas simulaciones de interacciones químicas. .

Sin embargo, los diseñadores de ordenadores cuánticos todavía se enfrentan a muchos problemas. Uno de ellos es que los circuitos cuánticos son sacudidos por ruido externo o incluso interno, que surge de defectos en los materiales utilizados para fabricar las computadoras. Este ruido es esencialmente un comportamiento aleatorio que puede crear errores en los cálculos de qubits.

Los qubits actuales son inherentemente ruidosos por sí mismos, pero ese no es el único problema. Muchos diseños de computadoras cuánticas tienen lo que se llama una arquitectura estática, donde cada qubit del procesador está físicamente conectado a sus vecinos y a su resonador de lectura. El cableado fabricado que conecta los qubits entre sí y a su lectura puede exponerlos a aún más ruido.

Such static architectures have another disadvantage: They cannot be reprogrammed easily. A static architecture’s qubits could do a few related jobs, but for the computer to perform a wider range of tasks, it would need to swap in a different processor design with a different qubit organization or layout. (Imagine changing the chip in your laptop every time you needed to use a different piece of software, and then consider that the chip needs to be kept a smidgen above absolute zeroAbsolute zero is the theoretical lowest temperature on the thermodynamic temperature scale. At this temperature, all atoms of an object are at rest and the object does not emit or absorb energy. The internationally agreed-upon value for this temperature is −273.15 °C (−459.67 °F; 0.00 K)." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">cero absoluto, y entenderás por qué esto podría resultar inconveniente).

El interruptor de palanca programable del equipo evita ambos problemas. En primer lugar, evita que el ruido del circuito se introduzca en el sistema a través del resonador de lectura y evita que los qubits conversen entre sí cuando se supone que deben estar en silencio.

"Esto reduce una fuente clave de ruido en una computadora cuántica", dijo Simmonds.

En segundo lugar, la apertura y el cierre de los interruptores entre elementos se controlan con un tren de pulsos de microondas enviados a distancia, en lugar de a través de conexiones físicas de una arquitectura estática. La integración de más de estos interruptores podría ser la base de una computadora cuántica más fácilmente programable. Los pulsos de microondas también pueden establecer el orden y la secuencia de operaciones lógicas, lo que significa que un chip construido con muchos de los interruptores del equipo podría recibir instrucciones para realizar cualquier cantidad de tareas.

"Esto hace que el chip sea programable", dijo Simmonds. "En lugar de tener una arquitectura completamente fija en el chip, se pueden realizar cambios mediante software".

Un beneficio final es que el interruptor de palanca también puede activar la medición de ambos qubits al mismo tiempo. Esta capacidad de pedir a ambos qubits que se revelen como pareja es importante para rastrear errores computacionales cuánticos.

Los qubits de esta demostración, así como el interruptor de palanca y el circuito de lectura, estaban hechos de componentes superconductores que conducen la electricidad sin resistencia y deben funcionar a temperaturas muy frías. El interruptor de palanca en sí está hecho de un dispositivo de interferencia cuántica superconductor, o "SQUID", que es muy sensible a los campos magnéticos que pasan a través de su bucle. Conducir una corriente de microondas a través de un bucle de antena cercano puede inducir interacciones entre los qubits y el resonador de lectura cuando sea necesario.

Hasta este momento, el equipo solo ha trabajado con dos qubits y un resonador de lectura, pero Simmonds dijo que están preparando un diseño con tres qubits y un resonador de lectura, y que también tienen planes de agregar más qubits y resonadores. Investigaciones adicionales podrían ofrecer información sobre cómo conectar muchos de estos dispositivos, ofreciendo potencialmente una manera de construir una poderosa computadora cuántica con suficientes qubits para resolver el tipo de problemas que, por ahora, son insuperables.

Referencia: “Fuertes cambios dispersivos paramétricos en un sistema QED de cavidad de dos qubits estáticamente desacoplado” por T. Noh, Z. Xiao, XY Jin, K. Cicak, E. Doucet, J. Aumentado, LCG Govia, L. Ranzani, A Kamal y RW Simmonds, 26 de junio de 2023, Nature Physics.DOI: 10.1038/s41567-023-02107-2