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| Dispositivo de qubits de espín conectado a una placa de circuito en preparación para la medición. Crédito: Serwan Asaad |
Los ingenieros cuánticos de la UNSW de Sydney han eliminado un importante obstáculo que se interponía en el camino para que los ordenadores cuánticos se hicieran realidad. Han descubierto una nueva técnica que, según dicen, será capaz de controlar millones de qubits de espín, las unidades básicas de información de un procesador cuántico de silicio.
Hasta ahora, los ingenieros y científicos especializados en ordenadores cuánticos habían trabajado con un modelo de prueba de concepto de los procesadores cuánticos demostrando el control de sólo un puñado de qubits.
Pero con su última investigación, publicada hoy en Science Advances, el equipo ha encontrado lo que considera "la pieza que faltaba" en la arquitectura de los ordenadores cuánticos, que debería permitir el control de los millones de qubits necesarios para realizar cálculos extraordinariamente complejos.
El Dr. Jarryd Pla, profesor de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Telecomunicaciones de la UNSW, afirma que su equipo de investigación quería resolver el problema que había dejado perplejos a los científicos de los ordenadores cuánticos durante décadas: cómo controlar no sólo unos pocos qubits, sino millones, sin ocupar un espacio valioso con más cableado, que consume más electricidad y genera más calor.
"Hasta este momento, el control de los qubits de espín de los electrones dependía de que suministráramos campos magnéticos de microondas poniendo una corriente a través de un cable justo al lado del qubit", dice el Dr. Pla.
"Esto plantea algunos problemas reales si queremos ampliar la escala a los millones de qubits que necesitará un ordenador cuántico para resolver problemas de importancia mundial, como el diseño de nuevas vacunas".
"En primer lugar, los campos magnéticos disminuyen muy rápidamente con la distancia, por lo que sólo podemos controlar los qubits más cercanos al cable. Eso significa que tendríamos que añadir más y más cables a medida que introdujéramos más y más qubits, lo que ocuparía mucho espacio en el chip".
Y como el chip debe funcionar a temperaturas muy bajas, por debajo de -270°C, el Dr. Pla dice que introducir más cables generaría demasiado calor en el chip, lo que interferiría con la fiabilidad de los qubits.
"Así que volvemos a ser capaces de controlar sólo unos pocos qubits con esta técnica de cables", dice el Dr. Pla.
El momento de la bombilla
La solución a este problema implicó una completa reimaginación de la estructura del chip de silicio.
En lugar de tener miles de cables de control en el mismo chip de silicio del tamaño de una miniatura que también tiene que contener millones de qubits, el equipo estudió la posibilidad de generar un campo magnético desde arriba del chip que pudiera manipular todos los qubits simultáneamente.
Esta idea de controlar todos los qubits simultáneamente fue planteada por primera vez por los científicos de la computación cuántica en los años 90, pero hasta ahora nadie había encontrado una forma práctica de hacerlo.
"Primero quitamos el cable junto a los qubits y luego ideamos una forma novedosa de suministrar campos de control magnéticos de frecuencia de microondas en todo el sistema. Así que, en principio, podríamos suministrar campos de control a 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, éste enfoca la longitud de onda de las microondas hasta un tamaño mucho menor.
El resonador dieléctrico reduce la longitud de onda por debajo de un milímetro, por lo que ahora tenemos una conversión muy eficiente de la energía de microondas en el campo magnético que controla los espines de todos los qubits".
"Hay dos innovaciones clave. La primera es que no tenemos que poner mucha energía para conseguir un campo de conducción fuerte para los qubits, lo que significa, fundamentalmente, que no generamos mucho calor. La segunda es que el campo es muy uniforme en todo el chip, de modo que millones de qubits experimentan el mismo nivel de control".
Equipo cuántico
Aunque el Dr. Pla y su equipo habían desarrollado el prototipo de la tecnología de resonadores, no tenían los qubits de silicio para probarlos. Así que habló con su colega de ingeniería de la UNSW, el profesor de Scientia Andrew Dzurak, cuyo equipo había demostrado en la última década la primera y más precisa lógica cuántica utilizando la misma tecnología de fabricación de silicio empleada para hacer chips de ordenador convencionales.
"Me quedé completamente sorprendido cuando Jarryd vino a verme con su nueva idea", dice el profesor Dzurak, "e inmediatamente nos pusimos a trabajar para ver cómo podíamos integrarla con los chips de qubits que mi equipo ha desarrollado".
"Pusimos a dos de nuestros mejores estudiantes de doctorado en el proyecto, Ensar Vahapoglu, de mi equipo, y James Slack-Smith, del de Jarryd.
"Nos alegramos mucho cuando el experimento tuvo éxito. Este problema de cómo controlar millones de qubits me había preocupado durante mucho tiempo, ya que era un obstáculo importante para construir un ordenador cuántico a gran escala".
Los ordenadores cuánticos, que antes sólo se soñaban en los años 80, que utilizan miles de qubits para resolver problemas de importancia comercial, pueden estar ahora a menos de una década de distancia. Más allá de eso, se espera que aporten una nueva potencia de fuego a la resolución de retos globales y al desarrollo de nuevas tecnologías gracias 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.
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| El Dr. Jarryd Pla y el profesor Andrew Dzurak. Crédito: UNSW |
Mirando al futuro
El equipo tiene previsto utilizar esta nueva tecnología para simplificar el diseño de procesadores cuánticos de silicio a corto plazo.
"La eliminación del cable de control en el chip libera espacio para qubits adicionales y toda la demás electrónica necesaria para construir un procesador cuántico. Hace que la tarea de pasar al siguiente paso de producir dispositivos con algunas decenas de qubits sea mucho más sencilla", afirma el profesor Dzurak.
"Aunque hay retos de ingeniería que resolver antes de que se puedan fabricar procesadores con un millón de qubits, nos entusiasma el hecho de que ahora tengamos una forma de controlarlos", dice el Dr. Pla.
Fuentes, créditos y referencias:
“Single-electron spin resonance in a nanoelectronic device using a global field” 13 August 2021, Science Advances.
DOI: 10.1126/sciadv.abg9158