El interruptor de palanca reduce el ruido en las computadoras cuánticas

Un equipo de científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de Estados Unidos ha presentado un dispositivo que reduce el ruido en los ordenadores cuánticos.

Un dispositivo de "interruptor de palanca" conecta dos qubits superconductores a un circuito llamado "resonador de lectura" que puede leer la salida 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.

La 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: K. Cicak y R. Simmond

"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".

El equipo también incluye científicos de la Universidad de Massachusetts Lowell, la Universidad de Colorado Boulder y Raytheon BBN Technologies.

Uno de los problemas que enfrentan los diseñadores de computadoras cuánticas es que los circuitos cuánticos se ven afectados 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.

Estas arquitecturas estáticas tienen otra desventaja: no se pueden reprogramar fácilmente. Los qubits de una arquitectura estática podrían realizar algunas tareas relacionadas, pero para que la computadora realice una gama más amplia de tareas, necesitaría cambiar un diseño de procesador diferente con una organización o diseño de qubit diferente.

(Imagínese cambiar el chip de su computadora portátil cada vez que necesitara usar un software diferente, y luego considere que el chip debe mantenerse un poquito por encima del cero absoluto, y comprenderá 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 último beneficio 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.