Los qubits de silicio dan un gran salto adelante

En los últimos años, la gran pregunta de la computación cuántica ha pasado de “¿podemos conseguir que esto funcione?” a “¿podemos conseguir que esto se amplíe?”. Ya no es noticia que un algoritmo se ejecute en un pequeño ordenador cuántico: lo hemos hecho con varias tecnologías diferentes. La gran pregunta ahora es: ¿Cuándo podremos ejecutar un problema útil en un hardware cuántico que supere claramente a un ordenador tradicional?

Para ello, aún necesitamos más qubits. Y para superar sistemáticamente a los ordenadores clásicos en problemas complicados, necesitaremos suficientes qubits para corregir errores. Eso significa miles de qubits. Así que, aunque actualmente hay un claro líder tecnológico en cuanto a número de qubits (los qubits superconductores llamados transmones), todavía existe la posibilidad de que alguna otra tecnología acabe escalando mejor.

Esa posibilidad es lo que hace interesantes varios resultados que se publican hoy. Aunque hay diferencias entre los tres resultados que se anuncian, todos tienen algo en común: qubits de alta calidad producidos en silicio. Después de todo, si hay algo que sabemos cómo escalar, son las tecnologías basadas en el silicio.

Problemas de calidad

La idea de fabricar qubits a partir de silicio tiene cierta historia, y hemos hecho progresos con la tecnología en el pasado. Esto se debe a que fabricar qubits a partir de silicio es relativamente fácil cuando se utilizan técnicas desarrolladas para la industria de los semiconductores. Por ejemplo, la contaminación intencionada llamada “dopaje” que se utiliza para modificar las propiedades del silicio también podría utilizarse para incrustar átomos que puedan actuar como qubits. Asimismo, nuestra capacidad para colocar cableado en el silicio puede utilizarse para crear estructuras que creen puntos cuánticos en los que se pueda controlar un electrón individual.

Lo mejor de todo es que estos enfoques requieren muy poco espacio para su implementación, lo que significa que podríamos meter muchos qubits en un solo chip de silicio. Es un gran contraste con tecnologías alternativas como los transmones y los iones atrapados, que son lo suficientemente voluminosos como para que las empresas que trabajan con ellos ya estén hablando (o incluso implementando) la difusión de los procesadores en múltiples chips.

El problema hasta ahora ha sido que los qubits basados en silicio son bastante propensos a los errores. En última instancia, queremos utilizar grupos de estos qubits individuales como un único qubit lógico que implemente la corrección de errores. Pero si los errores se producen más rápido de lo que se pueden corregir, esto no será posible. Y hasta ahora, los qubits basados en silicio están definitivamente en el lado equivocado de ese umbral de error.

Puntos de alta calidad

Dos artículos adoptan un enfoque similar para mejorar el rendimiento de los qubits basados en puntos cuánticos. Uno es de un grupo de investigadores con sede en la Universidad Tecnológica de Delft, y el otro es principalmente del RIKEN de Japón, con algunos colaboradores en Delft. Ambos grupos utilizaron silicio con cableado para crear un punto cuántico que atrapaba un solo electrón. El espín del electrón atrapado se utilizó como base para el qubit. Y ambos grupos adoptaron un enfoque similar, probando su puerta bajo una amplia gama de condiciones para identificar las que tendían a producir errores y luego operando el qubit de una manera que evitara esos errores.

En el trabajo de Delft, el entrelazamiento de los dos qubits se hizo manipulando los puntos cuánticos para que las funciones de onda de los electrones atrapados se superpusieran. Tras optimizar el uso del hardware, los investigadores descubrieron que tanto las operaciones de puerta de un qubit como las de dos qubits tienen una tasa de fidelidad superior al 99,5%. Eso está por encima del umbral necesario para que funcione la forma de corrección de errores cuánticos más considerada.

Para demostrar que los qubits son realmente útiles, los investigadores utilizan su configuración de dos qubits para calcular la energía del estado básico del hidrógeno molecular. Este cálculo es relativamente fácil de realizar en hardware clásico, por lo que los resultados podrían ser comprobados.

El grupo RIKEN hizo algo similar y, en general, descubrió que acelerar las operaciones tenía un efecto importante en las tasas de error. Una vez más, la gestión de este problema produjo puertas con una fidelidad del 99,5%, muy por encima del umbral necesario para la corrección de errores. Para demostrar que las puertas funcionaban, el equipo implementó un par de algoritmos de computación cuántica y reflejó que se completaban con una tasa de éxito en el área del 97 por ciento.

La energía nuclear

Los electrones no son los únicos elementos del silicio que tienen espín; si se trata del isótopo adecuado, el núcleo de los átomos también puede tenerlo. En eso se ha centrado un grupo de la Universidad australiana de Nueva Gales del Sur en otro artículo.

Los núcleos atómicos están en gran medida protegidos del entorno por las capas de electrones que los rodean. Esto los convierte en depósitos relativamente estables de información cuántica, que tiende a decaer debido a las interacciones del entorno. De hecho, los espines nucleares se consideran a menudo como una gran forma de crear memoria cuántica. Pero su aislamiento también dificulta la interacción con los espines, lo que puede hacer que la manipulación de qubits nucleares sea un reto.

Para solucionar este problema, el equipo incrustó átomos de fósforo en silicio y luego entrelazó el núcleo de dos de esos átomos con un electrón. En el caso de un solo núcleo, el resultado fue una fidelidad impresionante, que alcanzó el 99,95 por ciento. Esta cifra se redujo cuando se incluyeron las operaciones y la lectura, pero se mantuvo por encima del 98,9%. Los problemas aquí parecen estar relacionados principalmente con el electrón compartido, por lo que es algo que potencialmente puede ser abordado centrándose en su comportamiento.

Para demostrar que esta idea funciona, el equipo aplicó una serie de operaciones al qubit y luego invirtió todo el proceso. Acabó volviendo a su estado inicial alrededor del 90 por ciento de las veces.

Perspectivas de futuro

Entonces, ¿qué significa tener dos qubits funcionales cuando una tecnología de la competencia ofrece más de 100? Todo depende de lo que venga después. Debería ser relativamente fácil crear matrices más grandes de los tipos de qubits utilizados en estos experimentos y ver cómo el hecho de tener dispositivos cercanos influye en su comportamiento. También debería ser fácil ver si se pueden establecer conexiones a través de la matriz con la suficiente rapidez como para poder implementar algoritmos más grandes antes de que los problemas de fidelidad se reafirmen.

Los dos documentos señalan cómo caracterizar estos dispositivos para optimizar el rendimiento. Pero se necesita una gran cantidad de ingeniería antes de llegar a esas mediciones.

El grupo que trabaja en los espines nucleares, en cambio, ya está estudiando diferentes formas de escalar. Los investigadores señalan que los elementos más pesados (como los isótopos de estaño o yodo) proporcionan estados de espín accesibles adicionales, de modo que podrían almacenarse seis qubits en sólo dos átomos. Estos estados de espín también pueden controlarse electrónicamente, lo que simplificaría considerablemente el sistema.

En estos sistemas, cosas como el entrelazamiento pueden ser potencialmente mediadas por el desplazamiento del electrón a diferentes pares de qubits nucleares. Y en algunas circunstancias, el propio electrón podría contribuir con otro qubit al total necesario para la corrección de errores. De nuevo, todo esto parece muy prometedor, pero habrá que ver con qué rapidez se traduce el potencial de escalado del sistema en un escalado real.

Nature, 2022. Resumen con enlaces a artículos: 10.1038/d41586-022-00047-0  .

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