Los ingenieros cuánticos de la UNSW Sydney han eliminado un obstáculo importante que impide que las computadoras cuánticas se conviertan en realidad. Han descubierto una nueva técnica que creen que podrá controlar millones de qubits de espín, las unidades básicas de información en un procesador cuántico de silicio.

Hasta ahora, los ingenieros y científicos en computación cuántica han trabajado con un modelo de prueba de concepto de procesadores cuánticos demostrando el control de solo un puñado de qubits.

Pero con su última investigación, publicada hoy en Progreso de los científicos, el equipo encontró lo que ven como «la pieza faltante del rompecabezas» en la arquitectura de la computación cuántica que debería permitir el control de los millones de qubits necesarios para cálculos extraordinariamente complejos.

El Dr. Jarryd Pla, miembro de la facultad de la Escuela de Ingeniería Eléctrica y de Telecomunicaciones de la UNSW, dijo que su equipo de investigación quería resolver el problema que había atrapado a los científicos de la computación cuántica durante décadas: cómo controlar no solo unos pocos, sino millones de qubits sin ocupar valiosos espacio con más cableado, que consume más electricidad y genera más calor.

«Hasta este punto, el control de los qubits de espín de electrones se basaba en proporcionar campos magnéticos de microondas al pasar una corriente a través de un cable justo al lado del qubit«dice el Dr. Pla.

“Esto plantea verdaderos desafíos si queremos alcanzar los millones de qubits que necesitará una computadora cuántica 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 solo podemos controlar los qubits más cercanos al cable. Esto significa que tendríamos que agregar más y más cables a medida que introdujimos. Más y más qubits, lo que toma tiempo. Mucho espacio en el chip «.

Y dado que el chip debe operar a temperaturas bajo cero, por debajo de -270 ° C, el Dr. Pla dice que introducir más cables generaría demasiado calor en el chip, lo que interferiría con la confiabilidad de los qubits.

«Así que volvemos a ser capaces de controlar solo unos pocos qubits con esta técnica de cable», explica el Dr. Pla.

Momento de la bombilla

La solución a este problema implicó una reinvención completa 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 pegatina que también debe contener millones de qubits, el equipo examinó la viabilidad de generar un campo magnético desde arriba el chip que podría manejar 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 la década de 1990, pero hasta ahora nadie había encontrado una forma práctica de hacerlo.

«Primero quitamos el cable al lado de los qubits, y luego encontramos una nueva forma de entregar campos de control magnético de microondas en todo el sistema. Entonces, en principio, podríamos proporcionar campos de control de hasta cuatro millones de qubits», explica 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, enfoca la longitud de onda de microondas a un tamaño mucho más pequeño.

“El resonador dieléctrico encoge la longitud de onda por debajo de un milímetro, por lo que ahora tenemos una conversión muy eficiente de la potencia de microondas en un campo magnético que controla los espines de todos los qubits.

«Hay dos innovaciones clave aquí. La primera es que no necesitamos poner muchos caballos de fuerza para obtener un campo de conducción sólido para los qubits, lo que significa de manera crucial que no estamos generando mucho calor. La segunda es que el campo es muy uniforme en todo el chip, por lo que millones de qubits tienen el mismo nivel de control «.

El equipo cuántico

Aunque el Dr. Pla y su equipo desarrollaron el prototipo de la tecnología de resonador, no tenían los qubits de silicio para probarlo. Así que habló con su compañero ingeniero de la UNSW, el profesor Scientia Andrew Dzurak, cuyo equipo ha demostrado durante la última década la primera y más precisa lógica cuántica utilizando la misma tecnología de fabricación de silicio que la utilizada para fabricar chips de computadora convencionales.

“Me quedé completamente impresionado cuando Jarryd se acercó a mí con su nueva idea”, dice el profesor Dzurak, “e inmediatamente nos pusimos a trabajar para ver cómo podíamos encajarlo en los chips qubit que desarrolló mi equipo.

“Pusimos a dos de nuestros mejores estudiantes de doctorado en el proyecto, Ensar Vahapoglu de mi equipo y James Slack-Smith de Jarryd’s.

“Estuvimos encantados cuando la experiencia resultó ser un éxito. Este problema de controlar millones de qubits me había preocupado durante mucho tiempo, ya que era un gran obstáculo para construir una computadora cuántica a gran escala. «

Solo en la década de 1980, las computadoras cuánticas que utilizan miles de qubits para resolver problemas de importancia comercial podrían estar ahora en menos de una década. Más allá de eso, se espera que aporten nueva potencia de fuego para resolver los desafíos globales y desarrollar nuevas tecnologías debido a su capacidad para modelar sistemas extraordinariamente complejos.

Se espera que el cambio climático, el diseño de fármacos y vacunas, el descifrado de códigos y la inteligencia artificial se beneficien de la tecnología de la computación cuántica.

Mirar hacia el futuro

A continuación, el equipo planea utilizar esta nueva tecnología para simplificar el diseño de procesadores cuánticos de silicio a corto plazo.

«Quite el sobre-chip El cable de control libera espacio para qubits adicionales y todos los demás componentes electrónicos necesarios para construir un procesador cuántico. Esto facilita mucho la tarea de dar el siguiente paso en la producción de dispositivos con unas pocas docenas de qubits ”, explica el profesor Dzurak.

«Si bien hay desafíos de ingeniería que deben resolverse antes de que se puedan fabricar procesadores con un millón de qubits, estamos entusiasmados de que ahora tengamos una forma de controlarlos», dijo el Dr. Pla.