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Un equipo formado por todos los miembros de RIKEN ha aumentado de dos a tres el número de qubits de espín basados en silicio que pueden entrelazarse, lo que pone de manifiesto el potencial de los qubits de espín para realizar algoritmos cuánticos multiqubit.
Los ordenadores cuánticos tienen el potencial de dejar atrás a los ordenadores convencionales a la hora de realizar ciertos tipos de cálculos. Se basan en bits cuánticos, o qubits, el equivalente cuántico de los bits que utilizan los ordenadores convencionales.
Aunque menos maduras que otras tecnologías de qubits, las pequeñas gotas de silicio conocidas como puntos cuánticos de silicio tienen varias propiedades que las hacen muy atractivas para realizar qubits. Entre ellas están los largos tiempos de coherencia, el control eléctrico de alta fidelidad, el funcionamiento a alta temperatura y el gran potencial de escalabilidad. Sin embargo, para conectar de forma útil varios qubits de espín basados en silicio, es crucial poder entrelazar más de dos qubits, un logro que hasta ahora había evitado los físicos.
Seigo Tarucha y cinco colegas, todos ellos del Centro RIKEN para la Ciencia de la Materia Emergente, han inicializado y medido un conjunto de tres qubits en silicio con alta fidelidad (la probabilidad de que un qubit esté en el estado esperado). También han combinado los tres qubits enredados en un único dispositivo.
Esta demostración es un primer paso para ampliar las capacidades de los sistemas cuánticos basados en qubits de espín. "El funcionamiento de dos qubits es suficiente para realizar cálculos lógicos fundamentales", explica Tarucha. "Pero un sistema de tres qubits es la unidad mínima para ampliar e implementar la corrección de errores".
El dispositivo del equipo consiste en un punto cuántico triple sobre una heteroestructura de silicio/silicio-germanio y se controla mediante puertas de aluminio. Cada punto cuántico puede albergar un electrón, cuyos estados de espín ascendente y descendente codifican un qubit. Un imán en el chip genera un gradiente de campo magnético que separa las frecuencias de resonancia de los tres qubits, de modo que puedan ser dirigidos individualmente.
Los investigadores primero enredaron dos de los qubits mediante la implementación de una puerta de dos qubits, un pequeño circuito cuántico que constituye el bloque de construcción de los dispositivos de computación cuántica. A continuación, lograron el entrelazamiento de tres qubits combinando el tercer qubit y la puerta. El estado resultante de tres qubits tenía una fidelidad de estado notablemente alta, del 88%, y se encontraba en un estado entrelazado que podía utilizarse para la corrección de errores.
Esta demostración es sólo el comienzo de una ambiciosa línea de investigación que conducirá a un ordenador cuántico a gran escala. "Tenemos previsto demostrar la corrección de errores primitiva con el dispositivo de tres qubits y fabricar dispositivos con diez o más qubits", afirma Tarucha. "A continuación, tenemos previsto desarrollar entre 50 y 100 qubits e implementar protocolos de corrección de errores más sofisticados, allanando el camino hacia un ordenador cuántico a gran escala dentro de una década".
Fuentes, créditos y referencias:
Kenta Takeda et al, Quantum tomography of an entangled three-qubit state in silicon, Nature Nanotechnology (2021). DOI: 10.1038/s41565-021-00925-0
Imágen: Figura 1: Micrografía electrónica de barrido de falso color del dispositivo. Las estructuras moradas y verdes representan las puertas de aluminio. Seis físicos del RIKEN consiguieron entrelazar tres qubits de espín de silicio utilizando el dispositivo. Crédito: Centro RIKEN para la Ciencia de la Materia Emergente