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| De izquierda a derecha, Asaad, Morello y Madzik (imagen compuesta): Serwan Asaad, Andrea Morello y Mateusz Mądzik son los autores principales del artículo de la UNSW que demostró operaciones cuánticas sin errores en un 99%. Crédito: Kearon de Clouet / UNSW |
Se acaba de alcanzar un importante hito en la computación cuántica.
Tres equipos distintos de todo el mundo han superado el umbral del 99% de precisión en la computación cuántica basada en el silicio, lo que sitúa las operaciones cuánticas sin errores al alcance de la mano.
En Australia, un equipo dirigido por el físico Andrea Morello, de la Universidad de Nueva Gales del Sur, logró un 99,95 por ciento de precisión en operaciones de un qubit y un 99,37 por ciento en operaciones de dos qubits en un sistema de tres qubits.
En los Países Bajos, un equipo dirigido por el físico Seigo Tarucha, de la Universidad Tecnológica de Delft, logró una precisión del 99,87% en operaciones de un qubit y del 99,65% en operaciones de dos qubits en puntos cuánticos.
Por último, en Japón, un equipo dirigido por el físico Akito Noiri, de RIKEN, logró una precisión del 99,84% en operaciones de un qubit y del 99,51% en operaciones de dos qubits, también en puntos cuánticos.
Los tres equipos han publicado hoy sus resultados en la revista Nature.
"La publicación de hoy en Nature muestra que nuestras operaciones estaban libres de errores en un 99 por ciento", afirma Morello.
"Cuando los errores son tan escasos, es posible detectarlos y corregirlos cuando se producen. Esto demuestra que es posible construir ordenadores cuánticos que tengan suficiente escala, y suficiente potencia, para manejar una computación significativa".
La computación cuántica se basa en la mecánica cuántica como base de las operaciones. La información se codifica en qubits, o bits cuánticos, el equivalente en computación cuántica de los bits binarios, las unidades básicas de información.
Sin embargo, mientras que los bits procesan la información en uno de dos estados -un 1 o un 0-, un qubit puede estar en el estado de un 1, un 0 o ambos simultáneamente.
Este último estado - 1 y 0 al mismo tiempo - se conoce como superposición. El mantenimiento de la superposición de los qubits permite a los ordenadores cuánticos resolver complejos problemas matemáticos mediante cálculos basados en la probabilidad del estado de un objeto antes de ser medido. Sin embargo, esta tarea es muy propensa a los errores, y la mejora de la fidelidad de las operaciones cuánticas ha sido objeto de intensos estudios.
En 2014, Morello y sus colegas fueron capaces de demostrar la friolera de 35 segundos de vida de la información cuántica en un sustrato de silicio. Sus qubits se basaban en los estados de espín de los núcleos, que, aislados de su entorno, permitían establecer un nuevo punto de referencia temporal. Pero ese mismo aislamiento también supuso un problema: dificultó la comunicación de los qubits entre sí, necesaria para realizar la computación cuántica.
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| El dispositivo nanoelectrónico de silicio utilizado para albergar el procesador cuántico se construyó con métodos compatibles con los estándares industriales de los chips informáticos existentes. (Los autores demostraron operaciones de lógica cuántica universal utilizando un par de núcleos de 31P implantados por iones en un dispositivo nanoelectrónico de silicio. El dispositivo se fabricó con métodos compatibles con los procesos estándar de la industria utilizados para todos los chips de ordenador existentes). Crédito: Tony Melov / UNSW |
Para resolver este problema, Morello y su equipo introdujeron un electrón en su sistema de dos núcleos de fósforo mediante la implantación de iones en el silicio, uno de los procesos fundamentales para fabricar microchips. Así crearon su sistema de tres qubits, y funcionó.
"Si tienes dos núcleos que están conectados al mismo electrón, puedes hacer que realicen una operación cuántica", explica el físico Mateusz Mądzik, de la UNSW.
"Mientras no operas el electrón, esos núcleos almacenan con seguridad su información cuántica. Pero ahora tienes la opción de hacerlos hablar entre sí a través del electrón, para realizar operaciones cuánticas universales que puedan adaptarse a cualquier problema computacional."
Los otros dos equipos adoptaron un enfoque diferente. Crearon puntos cuánticos de silicio y aleación de silicio y germanio, e instalaron una puerta de qubits de dos electrones; es decir, un circuito de qubits múltiples. A continuación, ajustaron el voltaje aplicado a sus respectivos sistemas, utilizando un protocolo denominado tomografía de conjuntos de compuertas para caracterizar sus sistemas.
Ambos equipos descubrieron que también habían logrado una fidelidad superior al 99% en sus sistemas.
"El resultado presentado hace que los qubits de espín sean, por primera vez, competitivos frente a los circuitos superconductores y las trampas de iones en términos de rendimiento de control cuántico universal", afirma Tarucha.
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| Los tres qubits pueden prepararse en un estado cuántico entrelazado, lo que desbloquea la potencia exponencial de los ordenadores cuánticos. (Los espines nucleares son qubits excepcionalmente buenos, debido a su excepcional aislamiento del entorno. Esta misma característica, sin embargo, dificulta que interactúen y realicen operaciones de lógica cuántica. El avance del equipo consiste en utilizar un electrón común para mediar en la interacción, lo que conduce a operaciones de lógica cuántica universal de alta fidelidad. Además, el propio electrón es un qubit de alta calidad, y puede colocarse en un estado de completo enredo cuántico con los dos núcleos). Crédito: Tony Melov / UNSW |
"Este estudio demuestra que los ordenadores cuánticos de silicio son candidatos prometedores, junto con la superconductividad y las trampas de iones, para la investigación y el desarrollo hacia la realización de ordenadores cuánticos a gran escala".
Cualquiera de estos trabajos por sí solo sería un logro importante. El hecho de que los tres equipos hayan alcanzado el mismo hito de forma independiente sugiere que la computación cuántica va a ir ahora viento en popa.
"Normalmente, se necesitan tasas de error inferiores al 1 por ciento para aplicar protocolos de corrección de errores cuánticos", afirma Morello.
"Al haber conseguido este objetivo, podemos empezar a diseñar procesadores cuánticos de silicio que se amplíen y funcionen de forma fiable para realizar cálculos útiles".
Fuentes, créditos y referencias:
Andrea Morello, Precision tomography of a three-qubit donor quantum processor in silicon, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-021-04292-7. www.nature.com/articles/s41586-021-04292-7
Lieven Vandersypen, Quantum logic with spin qubits crossing the surface code threshold, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-021-04273-w. www.nature.com/articles/s41586-021-04273-w
Akito Noiri, Fast universal quantum gate above the fault-tolerance threshold in silicon, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-021-04182-y. www.nature.com/articles/s41586-021-04182-y
Créditos a ScienceAlert