Un sistema escalable para controlar bits cuánticos demuestra una tasa de error muy baja, lo cual es esencial para fabricar dispositivos prácticos
(Physics)-Un obstáculo importante para el desarrollo de computadoras cuánticas prácticas es la dificultad de aumentar la escala: fabricar un dispositivo con una gran cantidad de bits cuánticos (qubits) que también brinde resultados precisos en presencia de ruido ambiental. Ahora, los investigadores informan una mejora significativa en la precisión de una tecnología que ya se sabe que es mucho más fácil de ampliar que las técnicas convencionales [ 1 ]. Esta tecnología alternativa utiliza unidades de flujo magnético llamadas quanta de flujo para controlar los qubits superconductores convencionales. La reducción en la tasa de error provino de separar físicamente los circuitos de control de los qubits. Con un mayor refinamiento, la tecnología de cuantos de flujo podría proporcionar un camino superior para la computación cuántica práctica.
Muchos esfuerzos actuales para llevar a cabo operaciones de lógica cuántica, las unidades básicas de computación, utilizan pulsos de microondas cortos para controlar los cúbits. Actualmente, sin embargo, esta tecnología es difícil de escalar más allá de 1000 qubits. Pero la presencia de ruido ambiental requiere métodos de corrección de errores que se basen en una gran cantidad de qubits, quizás un millón o más, para un sistema de corrección de errores efectivo que realice cálculos útiles, según algunas estimaciones.
En un enfoque alternativo para construir sistemas cuánticos, los cúbits se controlan utilizando los llamados cuantos de flujo único, las unidades más pequeñas de flujo magnético creadas en un dispositivo superconductor. Los investigadores creen que esta técnica de control de qubit podría ampliarse más fácilmente que el control de microondas porque el hardware consume mucha menos energía, lo que reduce la potencia de enfriamiento criogénico requerida, una preocupación importante para los sistemas de computación cuántica más grandes.
Cualquier computación cuántica involucra una secuencia de operaciones lógicas básicas, cada una de las cuales altera los estados de los qubits de maneras específicas. Un desafío clave en el desarrollo de la tecnología de cuantos de flujo único es demostrar la capacidad de llevar a cabo estas operaciones con precisión. En investigaciones anteriores, Robert McDermott de la Universidad de Wisconsin-Madison y sus colegas demostraron una precisión del 91 %, un resultado que otros mejoraron más tarde hasta casi el 98 %. Ahora, McDermott, el estudiante de posgrado Chuan-Hong Liu y sus colegas han llevado la técnica aún más lejos, logrando una precisión superior al 99 % al colocar el dispositivo que genera los cuantos de flujo en un chip que es físicamente distinto del que soporta los qubits sobre los que se basa el se realizan las operaciones. Liu dice que la separación física reduce la interferencia entre el generador de pulsos de flujo y los qubits.
Para demostrar la mejora, los investigadores fabricaron dos chips planos colocados en paralelo en una estructura tipo sándwich. En el chip superior construyeron dos qubits transmon, cada uno capaz de almacenar un qubit de información cuántica utilizando flujo magnético en un circuito superconductor. El chip inferior contenía dos circuitos superconductores similares, cada uno de los cuales formaba la base de un generador cuántico de flujo único que podía cambiar los estados de los qubits en el chip de arriba mediante el envío de pulsos de cuantos de flujo. Los investigadores unieron las dos obleas a través de una serie de estrechos puentes de indio. Esta conexión superconductora fue diseñada para evitar que las perturbaciones físicas indeseables producidas por el generador, específicamente, las excitaciones de huecos de electrones y los cuantos vibratorios llamados fonones, influyan en los cúbits.
En una serie de pruebas, los investigadores midieron la capacidad de los generadores de pulsos de flujo para activar operaciones lógicas precisas en los qubits, ya que variaban una amplia gama de parámetros operativos. Estos parámetros incluían la corriente de accionamiento del generador y su frecuencia de funcionamiento. Después de encontrar una configuración de parámetros óptima, probaron la precisión del generador de pulsos para impulsar las operaciones lógicas deseadas y promediaron los resultados en ensayos que tenían un rango de estados de qubit iniciales. En general, el equipo encontró que los generadores de flujo produjeron resultados incorrectos en el 1,2 % de todos los casos, casi reduciendo a la mitad la tasa de error del 2,1 % reportada por otro grupo el año pasado [2 ] .
En el trabajo futuro, el equipo tiene la intención de mejorar la configuración para reducir aún más la interferencia entre los chips. «Con estas optimizaciones», dice Liu, «deberíamos ser capaces de lograr una fidelidad de puerta del 99,9 % o incluso del 99,99 % con una secuencia optimizada de pulsos».
“Este documento es un gran logro”, dice el especialista en información cuántica Frank Wilhelm-Mauch de la Universidad de Saarland en Alemania. Agrega que los resultados anteriores de McDermott y sus colegas demostraron que la técnica podría funcionar en principio si las perturbaciones del qubit del generador de pulsos pudieran disminuir lo suficiente. “Al colocar el generador y el qubit en diferentes chips, han reducido este problema”.
–Mark Buchanan
Mark Buchanan es un escritor científico independiente .
Referencias
CH Liu et al. , «Control digital basado en cuántica de flujo único de qubits superconductores en un módulo multichip», PRX Quantum 4 , 030310 (2023) .
- Howe, «Control digital de un qubit superconductor mediante un generador de pulsos Josephson a 3 K», PRX Quantum 3 , 010350 (2022) .
