Un nuevo dispositivo cuántico de memoria de acceso aleatorio lee y escribe información utilizando un pulso electromagnético chirriante y un resonador superconductor, lo que lo hace significativamente más eficiente en términos de hardware que los dispositivos anteriores

Por: Jarryd Plá-(Universidad de Nueva Gales del Sur, Sidney, Australia)

(Physics)- La memoria de acceso aleatorio (o RAM) es una parte integral de una computadora, que actúa como un banco de memoria a corto plazo desde el cual se puede recuperar información rápidamente. Las aplicaciones en su teléfono o computadora usan RAM para que pueda cambiar entre tareas en un abrir y cerrar de ojos. Los investigadores que trabajan en la construcción de futuras computadoras cuánticas esperan que tales sistemas algún día puedan operar con elementos de RAM cuánticos análogos, que prevén que podrían acelerar la ejecución de un algoritmo cuántico [ 1 , 2] o aumentar la densidad de información almacenable en un procesador cuántico. Ahora, James O’Sullivan del Centro de Nanotecnología de Londres y sus colegas han dado un paso importante para hacer realidad la RAM cuántica, demostrando un enfoque de hardware eficiente que utiliza pulsos de microondas chirriados para almacenar y recuperar información cuántica en espines atómicos [ 3 ].

Al igual que las computadoras cuánticas, las demostraciones experimentales de los dispositivos de memoria cuántica están en sus inicios. Una plataforma líder basada en chips para computación cuántica utiliza circuitos hechos de metales superconductores. En este sistema, el procesamiento central se realiza con qubits superconductores, que envían y reciben información a través de fotones de microondas. En la actualidad, sin embargo, no existe ningún dispositivo de memoria cuántica que pueda almacenar de forma fiable estos fotones durante mucho tiempo. Afortunadamente, los científicos tienen algunas ideas.

Una de esas ideas es utilizar los espines de los átomos de impureza incrustados en el chip del circuito superconductor. El espín es una de las propiedades cuánticas fundamentales de un átomo. Actúa como una aguja de brújula interna, alineándose con o contra un campo magnético aplicado. Estas dos alineaciones son análogas al 0 y al 1 de un bit clásico y pueden usarse para almacenar información cuántica [ 4 , 5 ]. Si el chip contiene muchos átomos de impurezas, los espines de los átomos pueden actuar como un dispositivo de memoria «multimodo», que puede almacenar simultáneamente la información contenida en numerosos fotones.

Para los espines atómicos, los tiempos de almacenamiento de información pueden ser órdenes de magnitud más largos que los de los qubits superconductores. Los investigadores han demostrado, por ejemplo, que los átomos de bismuto colocados dentro de chips de silicio pueden almacenar información cuántica durante tiempos superiores a un segundo [ 6 ].]. Uno podría preguntarse: ¿por qué no usar qubits de espín en lugar de qubits superconductores? De hecho, hay grupos de investigación que trabajan en computadoras cuánticas basadas en átomos, pero el control y la medición de los espines atómicos presenta sus propios desafíos únicos. Un enfoque híbrido consiste en utilizar qubits superconductores para el procesamiento y espines atómicos para el almacenamiento, pero aquí el desafío ha sido cómo transferir información entre los dos sistemas utilizando fotones de microondas. Si bien los investigadores ya han demostrado la absorción y recuperación de información de fotones de microondas por un conjunto de espín atómico, esas demostraciones requerían el uso de fuertes gradientes de campo magnético o circuitos superconductores especializados, los cuales agregan complejidad al hardware de memoria cuántica [ 7 , 8 ].

O’Sullivan y sus colegas ofrecen una solución elegante para el almacenamiento y recuperación de información de fotones de microondas que utiliza un enfoque de hardware eficiente. El dispositivo del equipo consta de un resonador de circuito superconductor que se asienta sobre un chip de silicio incrustado con átomos de bismuto (Fig. 1). El equipo envió excitaciones de microondas débiles al resonador que contenían aproximadamente 1000 fotones, que fueron absorbidos por los espines de los átomos de bismuto. Luego golpearon el resonador con pulsos de microondas electromagnéticos que tenían una frecuencia que aumentaba con el tiempo, un efecto conocido como chirrido. Por eso, la información cuántica contenida en los fotones se imprimió en los giros con un identificador de «fase» único, que capturó las posiciones relativas de los giros vecinos. Luego, el equipo recuperó esta información, transfiriendo fotones de regreso al circuito superconductor, golpeando el conjunto de espín con un pulso idéntico, que encontraron invirtió esta fase impresa.

O’Sullivan y sus colegas muestran que su dispositivo de memoria puede almacenar simultáneamente múltiples piezas de información fotónica en forma de cuatro pulsos de microondas débiles. Es importante destacar que también demuestran que la información se puede volver a leer en cualquier orden, lo que convierte a su dispositivo en una verdadera memoria RAM.

En esta primera demostración, el equipo reporta una eficiencia del 3%, lo que indica que la memoria pierde la mayor parte de la información. Por lo tanto, su dispositivo aún está lejos del almacenamiento y la recuperación fieles necesarios para una futura computadora cuántica. Sin embargo, un análisis de las fuentes potenciales de esta baja eficiencia indica que no proviene del proceso de transferencia, sino que surge de limitaciones del dispositivo que pueden resolverse. El equipo cree que al aumentar la cantidad de giros, podrían mejorar significativamente la eficiencia del dispositivo.

Además de almacenar información, los elementos de la RAM cuántica podrían ayudar a aumentar la densidad de qubits en un procesador cuántico. En septiembre, IBM presentó Project Goldeneye, un gran refrigerador de dilución [ 9 ]. Este gigante ultrafrío tiene un volumen mayor que el de tres refrigeradores domésticos y albergará la computadora cuántica superconductora de próxima generación de IBM. Las computadoras cuánticas superconductoras actuales tienen una densidad de qubit de menos de 100 por milímetro cuadrado (los chips de computadora clásicos contienen 100 millones de transistores por milímetro cuadrado), por lo que es comprensible por qué IBM necesita un refrigerador tan grande. El dispositivo de memoria cuántica basado en espín de O’Sullivan y sus colegas podría, en principio, almacenar múltiples estados de qubit en el espacio que actualmente ocupa solo uno, lo que algún día podría ayudar a aliviar este problema de tamaño.

 

Referencias

  1. Giovannetti et al. , «Memoria cuántica de acceso aleatorio», Phys. Rev. Lett. 100, 160501 (2008).
  2. Biamonte et al. , «Aprendizaje automático cuántico», Nature 549, 195 (2017) J. O’Sullivan et al. , «Memoria cuántica de acceso aleatorio mediante codificación de fase de pulso chirp», Phys. Rev. X 12 , 041014 (2022) .

Daniel Loss y DP DiVincenzo, «Cómputo cuántico con puntos cuánticos», Phys. Rev.A 57 , 120 (1998) .

BE Kane, «Una computadora cuántica de espín nuclear basada en silicio», Nature 393 , 133 (1998) .

  1. Wolfowicz et al. , «Transiciones de reloj atómico en qubits de espín basados ​​en silicio», Nat. Nanotecnología. 8 , 561 (2013) .
  2. Wu et al. , «Almacenamiento de múltiples excitaciones de microondas coherentes en un conjunto de espín de electrones», Phys. Rev. Lett. 105 , 140503 (2010) .
  3. Grezes et al. , «Almacenamiento multimodo y recuperación de campos de microondas en un conjunto de espín», Phys. Rev. X 4 , 021049 (2014) .
  4. Gumann y J. Chow, » Los científicos de IBM enfrían el sistema de concepto criogénico cuántico más grande del mundo «, blog de IBM, 8 de septiembre de 2022.