La investigación teórica propone un enfoque escalable y modular para la computación cuántica , utilizando un método novedoso para vincular qubits a través de distancias sin que coincidan con sus frecuencias originales, allanando el camino para avances prácticos en el desarrollo de procesadores cuánticos.

Los ordenadores cuánticos funcionan codificando y procesando información mediante bits cuánticos, o qubits, que se definen como dos estados de los sistemas cuánticos, como los electrones o los fotones. A diferencia de los ordenadores clásicos, que utilizan bits binarios que son cero o uno, los qubits pueden existir en una superposición de ambos estados simultáneamente. Esta propiedad única permite a los ordenadores cuánticos realizar determinados cálculos exponencialmente más rápido que incluso los superordenadores más potentes de la actualidad.

Para alcanzar su máximo potencial, las computadoras cuánticas necesitan millones de bits cuánticos, o cúbits. Pero surge un desafío cuando los sistemas de procesamiento de información cuántica se escalan a muchos cúbits. Se necesita una electrónica muy compleja para controlar incluso unos pocos cúbits y escalar esos circuitos complejos representa un gran obstáculo.

Soluciones innovadoras para escalar

En una investigación teórica reciente, un equipo de físicos, dirigido por la profesora de la Universidad de Rhode Island Vanita Srinivasa, prevé un sistema modular para escalar procesadores cuánticos con una forma flexible de vincular cúbits a grandes distancias para permitirles trabajar en conjunto para realizar operaciones cuánticas. La capacidad de llevar a cabo este tipo de operaciones correlacionadas o “entrelazadas” entre cúbits vinculados es la base de la mayor potencia que posee la computación cuántica en comparación con las computadoras actuales. Un nuevo artículo sobre su investigación, coescrito por Srinivasa, Jacob M. Taylor de la Universidad de Maryland y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, y Jason R. Petta de la Universidad de California en Los Ángeles, fue publicado recientemente en la revista PRX Quantum.

“Cada cúbit de un ordenador cuántico funciona a una frecuencia específica. Para que una computadora cuántica pueda desarrollar las capacidades exclusivas de este tipo de dispositivos es necesario poder controlar cada cúbit de forma individual a través de una frecuencia distinta, así como vincular pares de cúbits haciendo coincidir sus frecuencias”, afirma Srinivasa, director del programa de Ciencias de la Información Cuántica de la URI y profesor adjunto de Física. “A medida que un procesador cuántico se escala a un mayor número de cúbits, lograr simultáneamente ambas operaciones para cada cúbit se vuelve un gran desafío. En nuestro trabajo, describimos cómo la aplicación de voltajes oscilantes genera de forma eficaz frecuencias adicionales para cada cúbit con el fin de vincular varios cúbits sin tener que hacer coincidir todas sus frecuencias originales. Esto permite vincular los cúbits y, al mismo tiempo, permitir que cada cúbit conserve una frecuencia distinta para el control individual”.

Procesadores cuánticos basados ​​en semiconductores

El uso de semiconductores para construir procesadores cuánticos es, en principio, muy prometedor para ampliar la escala de qubits a grandes cantidades. La tecnología avanzada de semiconductores que existe hoy en día constituye la base para fabricar chips con miles de millones de transistores diminutos y se puede aprovechar para crear qubits de tamaño compacto, afirmó Srinivasa. Además, almacenar qubits en una propiedad interna de los electrones y otras partículas semiconductoras conocida como espín proporciona una mayor protección contra la pérdida de información cuántica inherente a todas las plataformas de computación cuántica.

Sin embargo, ampliar un procesador cuántico simplemente añadiendo más y más cúbits de espín y sus circuitos de control asociados a una única matriz de cúbits es un gran desafío en la práctica. El trabajo teórico de Srinivasa y sus colegas aborda este problema proporcionando una guía paso a paso que muestra múltiples formas de entrelazar cúbits de espín a grandes distancias con flexibilidad para hacer coincidir sus frecuencias.

La flexibilidad resultante abre un camino hacia el procesamiento de información cuántica modular basado en semiconductores, lo que representa un enfoque alternativo para construir sistemas de muchos qubits utilizando pequeñas matrices de qubits (módulos) que ya se pueden fabricar hoy en día y conectándolos con enlaces entrelazados robustos y de largo alcance.

“Este enfoque de escalado es como construir un sistema más grande usando bloques LEGO de tamaño fijo, que son como módulos individuales, y conectarlos usando piezas más largas que sean lo suficientemente fuertes como para mantener la conexión entre los bloques durante un tiempo suficiente antes de que las influencias externas rompan los enlaces”, dijo Srinivasa. “Siempre que haya enlaces rápidos y confiables de larga distancia entre cúbits, este enfoque modular permite el escalado al tiempo que proporciona más espacio para los circuitos de control de espín de los cúbits”. Todavía no se han demostrado procesadores cuánticos basados ​​en semiconductores totalmente modulares.

Avances en los qubits de espín basados ​​en puntos cuánticos

Si bien existen muchos tipos de cúbits y una variedad correspondiente de formas en que interactúan, los investigadores eligieron estudiar los cúbits de espín basados ​​en puntos cuánticos que interactúan a través de fotones de microondas en una cavidad superconductora. Los puntos cuánticos son estructuras similares a átomos creadas para confinar electrones (y otras partículas utilizadas para definir cúbits) en espacios pequeños dentro de semiconductores y controlarlos individualmente mediante la aplicación de voltajes. Del mismo modo, las cavidades superconductoras son estructuras fabricadas que confinan fotones pero son mucho más grandes que los puntos cuánticos, con un tamaño determinado por la longitud de onda de las microondas.