Este avance podría suponer un gran paso hacia el desarrollo de un ordenador cuántico escalable y práctico.

Adam Zewe | Noticias del MIT

Investigadores del MIT han diseñado una nueva arquitectura de cúbits que permite que estos interactúen entre sí con mucha mayor rapidez, manteniendo una gran estabilidad. Este avance podría ayudar en el futuro a los científicos a construir ordenadores cuánticos prácticos capaces de ejecutar algoritmos largos y complejos con alta precisión.

Los cúbits, que son los componentes básicos de una computadora cuántica, generalmente solo almacenan datos y dependen de otros componentes electrónicos para realizar operaciones y comunicarse. Sin embargo, los cúbits son tan frágiles y propensos a errores que a los científicos les resulta difícil conectar suficientes cúbits antes de que pierdan su información y necesiten reiniciarse.

El equipo del MIT diseñó un cúbit de doble propósito con dos partes separadas: un componente que almacena datos y otro que interactúa con otros cúbits y componentes electrónicos. Este diseño mejora la fiabilidad del cúbit y le permite operar con una tasa de error reducida, por lo que puede realizar más cálculos en el mismo lapso de tiempo.

Sus simulaciones indican que esta nueva arquitectura de cúbits podría permitir operaciones significativamente más rápidas y de mayor fidelidad que los diseños existentes.

Si bien esta investigación aún se encuentra en sus primeras etapas, tiene el potencial de ayudar a los científicos a construir computadoras cuánticas útiles y a gran escala que puedan resolver problemas reales que son demasiado difíciles de manejar para las supercomputadoras tradicionales.

“Este trabajo representa un gran avance. Se trata de una nueva arquitectura que demuestra el gran potencial de ingeniería de estos sistemas. Hemos combinado dos ideas de una manera que nos permite lograr el codiseño de cúbits que buscamos, creando una combinación bastante singular de los elementos necesarios para la corrección de errores cuánticos”, afirma Alec Yen, quien obtuvo su doctorado en ingeniería eléctrica e informática (EECS) esta primavera y es coautor de un artículo que describe la nueva arquitectura.

En el artículo le acompañan el autor principal Jeremy Kline, estudiante de posgrado de EECS; Stanley Chen, estudiante de pregrado del MIT; y el autor sénior Kevin O’Brien, profesor asociado de EECS e investigador principal del Laboratorio de Investigación de Electrónica (RLE). El trabajo se publica en Physical Review Applied .

Un cúbit de doble propósito

Al igual que los bits en una computadora clásica, los bits cuánticos almacenan información. Pero a diferencia de los bits clásicos, los bits cuánticos tienen una vida útil muy corta y pueden degradarse rápidamente cuando los científicos los conectan para construir una computadora cuántica.

Esta degradación, conocida como decoherencia, introduce errores en los cálculos que se acumulan rápidamente, interrumpiendo cálculos largos antes de que se completen.

“El objetivo de todo esto es construir una computadora cuántica tolerante a fallos donde se puedan corregir estos errores a medida que ocurren, de modo que luego se puedan realizar cálculos largos y hacer cosas realmente útiles con una computadora cuántica”, explica O’Brien.

Para aumentar la fiabilidad de los cúbits, los investigadores del MIT desarrollaron un nuevo diseño que incluye dos componentes separados pero conectados: uno que almacena datos y otro que interactúa con todas las demás partes del circuito cuántico.

Este componente de interacción es como un brazo que se extiende hacia otras partes del sistema, por lo que los investigadores denominan a su diseño «cúbito brazo».

“Está diseñado para estos dos propósitos duales, que se logran conjuntamente mediante el modo de datos y el modo de activación, y estos dos objetivos son realmente importantes cuando se intenta realizar la corrección de errores cuánticos”, afirma Yen.

Básicamente, su diseño combina dos tipos diferentes de cúbits. Para generar el modo de datos, utilizan un diseño de cúbit popular que se caracteriza por tener una vida útil o coherencia muy prolongada.

El modo de brazo utiliza un diseño diferente que presenta interacciones muy fuertes con otros componentes, como un resonador, que es un componente electrónico que permite la lectura de cálculos cuánticos. La lectura es el proceso de medir el estado de un sistema cuántico y convertirlo en un valor clásico.

La clave de esta nueva arquitectura reside en una unidad de acoplamiento especial que los investigadores desarrollaron previamente y que utilizaron para conectar el modo de datos y el modo de brazo.

Acoplamiento más fuerte

Normalmente, acoplar los modos entre sí podría provocar interacciones no deseadas entre ellos, que se acumularían a medida que se conectaran más cúbits al sistema.

Una forma de evitar esta mezcla es mediante una técnica denominada acoplamiento no lineal, que se produce cuando dos componentes se vinculan de tal manera que un cambio en el estado de uno provoca un cambio en el otro. El acoplamiento no lineal es esencial para la ejecución de la mayoría de los algoritmos cuánticos.

El dispositivo especial que utilizaron los investigadores, conocido como  acoplador de quartones , permite un acoplamiento no lineal muy fuerte entre el modo de datos y el modo de brazo, lo que reduce significativamente la mezcla no deseada. Este acoplamiento permite que el cúbit realice operaciones más rápidamente antes de que se produzca la decoherencia.

“Al dedicar el componente del ‘brazo’ al acoplamiento, pudimos crear un diseño escalable, resistente a los errores de fabricación y que, además, utiliza un acoplador quarton para lograr un fuerte acoplamiento no lineal”, afirma Kline.

Al probar el diseño en simulaciones, el cúbit de brazo superó a otras arquitecturas de cúbits superconductores al ofrecer un tiempo de coherencia de vanguardia, así como operaciones y lecturas más rápidas.

La velocidad y la fiabilidad de esta nueva arquitectura pueden acelerar la corrección de errores cuánticos, lo que supone un paso importante para que los ordenadores cuánticos sean prácticos.

A partir de aquí, los investigadores planean trabajar en la fabricación del cúbito de brazo para poder estudiar más a fondo sus propiedades y capacidades e integrarlo en sistemas cuánticos reales.

“Este trabajo me genera mucha intriga porque nuestras simulaciones son muy prometedoras. A continuación, tendremos que comprobar si podemos lograrlo y determinar si se nos escapó algún detalle en el modelado o el diseño. Si conseguimos fabricar este cúbit, podría ser un componente fundamental para futuras computadoras cuánticas con corrección de errores”, afirma O’Brien.