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Qubit "Jigsaw Piece" acerca las computadoras cuánticas

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Qubit "Jigsaw Piece" acerca las computadoras cuánticas

Crédito: Sigmund / Unsplash
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Los ingenieros cuánticos de UNSW Sydney han eliminado un obstáculo importante que se interponía en el camino de que las computadoras cuánticas se convirtieran en realidad: descubrieron una nueva técnica que, según dicen, será capaz de controlar millones de qubits de espín: las unidades básicas de información en un silicio.procesador cuántico.

Hasta ahora, los ingenieros y científicos de 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 Science Advances, el equipo ha encontrado lo que consideran 'la pieza faltante del rompecabezas' en la arquitectura de la computadora 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 Telecomunicaciones de la UNSW dice que su equipo de investigación quería resolver el problema que había dejado perplejos a los científicos de la computación cuántica durante décadas: cómo controlar no solo unos pocos, sino millones de qubits sin ocuparespacio valioso con más cableado, usando más electricidad y generando más calor.

“Hasta este punto, el control de los qubits de espín de electrones dependía de que enviáramos campos magnéticos de microondas al poner una corriente a través de un cable justo al lado del qubit”, dice el Dr. Pla.

“Esto plantea algunos desafíos reales si queremos escalar a 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 rápido con la distancia, por lo que solo podemos controlar los qubits más cercanos al cable. Eso significa que tendríamos que agregar más y más cables a medida que incorporamos más y más qubits, lo queocupar mucho espacio en el chip ".

Y dado que el chip debe operar a temperaturas heladas, 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 poder controlar solo unos pocos qubits con esta técnica de cable", dice 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 miniatura que también debe contener millones de qubits, el equipo analizó la viabilidad de generar un campo magnético desde arriba del chip que podría 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 la década de 1990, pero hasta ahora nadie había encontrado una forma práctica de hacerlo, hasta ahora.

"Primero quitamos el cable junto a los qubits y luego se nos ocurrió una forma novedosa de entregar campos de control magnético de frecuencia de microondas en todo el sistema. Entonces, en principio, podríamos entregar campos de control hasta cuatro millones de qubits".dice el Dr. Pla.

El Dr. Pla y el 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 las microondas a un tamaño mucho más pequeño.

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

“Aquí hay dos innovaciones clave. La primera es que no tenemos que poner mucha potencia para obtener un campo de conducción fuerte para los qubits, lo que significa crucialmente que no generamos mucho calor. La segunda esque el campo es muy uniforme en todo el chip, por lo que millones de qubits experimentan el mismo nivel de control ".

Equipo cuántico


Aunque el Dr. Pla y su equipo habían desarrollado el prototipo de tecnología de resonador, no tenían los qubits de silicio para probarlo. Así que habló con su colega de ingeniería en la UNSW, el profesor de Scientia Andrew Dzurak, cuyo equipo había trabajado durante la última décadademostró la primera y más precisa lógica cuántica utilizando la misma tecnología de fabricación de silicio utilizada para fabricar chips de computadora convencionales.

“Me quedé completamente impresionado cuando Jarryd se me acercó con su nueva idea”, dice el profesor Dzurak, “e inmediatamente nos pusimos manos a la obra para ver cómo podíamos integrarlo con los chips qubit que ha desarrollado 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.

"Nos alegramos mucho cuando el experimento resultó exitoso. Este problema de cómo controlar millones de qubits me había estado preocupando durante mucho tiempo, ya que era un obstáculo importante para la construcción de una computadora cuántica a gran escala".

Una vez que solo se soñó en la década de 1980, las computadoras cuánticas que usan miles de qubits para resolver problemas de importancia comercial ahora pueden estar a menos de una década de distancia. Más allá de eso, se espera que aporten nueva potencia de fuego para resolver desafíos globales y desarrollar nuevas tecnologías porquede su capacidad para modelar sistemas extraordinariamente complejos.

El cambio climático, el diseño de medicamentos y vacunas, el descifrado de códigos y la inteligencia artificial se beneficiarán de la tecnología de computación cuántica.

mirando hacia el futuro


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

“Quitar el cable de control en el chip libera espacio para qubits adicionales y todos los demás componentes electrónicos necesarios 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 simple,”Dice el profesor Dzurak.

“Si bien hay desafíos de ingeniería que resolver antes de que se puedan fabricar procesadores con un millón de qubits, estamos entusiasmados por el hecho de que ahora tenemos una forma de controlarlos”, dice el Dr. Pla.

Referencia : Vahapoglu E, Slack-Smith JP, Leon RCC, et al. Resonancia de espín de un solo electrón en un dispositivo nanoelectrónico utilizando un campo global. Sci Adv . 2021; 7 33: eabg9158. Doi: 10.1126 / sciadv.abg9158

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