Logran un bit cuántico semiconductor en un circuito superconductor

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La computación cuántica actual presenta un gran reto: demostrar un computador cuántico tolerante a los fallos (la llamada decoherencia cuántica).

Para ello, una de las posibles soluciones es la corrección de errores, mediante un escalado masivo que necesita, al menos, varias decenas de miles de bits cuánticos.

Sin embargo, los computadores cuánticos más avanzados en la actualidad, basados en circuitos superconductores como los desarrollados por Google o IBM, todavía están muy lejos de lograrlo.

Una posible solución podría ser usar semiconductores para lograr este escalado, ya que utilizan circuitos similares a los de la electrónica tradicional, pero aún están mucho menos avanzados que los superconductores.

Frente a esta problemática hay varias líneas de investigación, y una se basa en los sistemas híbridos de super y semiconductores.

“Estas arquitecturas híbridas tienen el compromiso de diseñar unos bits cuánticos que nos ayuden al escalado usando el gran conocimiento que tenemos en materiales semiconductores y usarlos en circuitos superconductores“, señala Ramón Aguado, investigador en el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM), dependiente del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) en España.

Aguado y sus colegas han logrado una nueva arquitectura híbrida de bits cuánticos semiconductores y circuitos superconductores, lo que se considera un paso crucial en el avance de la computación cuántica ya que combina los beneficios de los materiales superconductores y los beneficios de los semiconductores.

Se trata de la primera vez que se logran estos sistemas de una forma controlada mediante el uso de un sistema de puntos cuánticos.

Aguado y sus colegas se han servido de una nanoestructura en la que un punto cuántico semiconductor definido por compuertas electrostáticas está acoplado a dos superconductores.

Aguado, cuyos análisis teóricos apoyan las conclusiones del estudio experimental, explica que la gran virtud de este sistema híbrido es poder modificar, en un circuito que contiene un bit cuántico semiconductor, el paso de supercorrientes (los bits cuánticos superconductores convencionales se basan en un efecto por el cual puede fluir corriente sin disipación, esas supercorrientes, entre dos electrodos superconductores).

“Con estos resultados demostramos lo mejor de ambos mundos: usamos todas las capacidades de los puntos cuánticos semiconductores que nos permiten aislar un espín individual (el bit cuántico) y lo acoplamos al resto del circuito superconductor, modificando sus supercorrientes.

Denominamos a este nuevo diseño bit cuántico de espín superconductor”, explica Aguado.

“Logramos que el sistema se comporte como un átomo artificial, ya que posee un espectro discreto de niveles cuánticos que podemos modificar externamente”.

Con esta idea, además, han logrado “un control exquisito sobre el régimen físico del sistema: en un superconductor convencional todos los electrones quedan acoplados en el estado de mínima energía formando parejas, los pares de Cooper.

En nuestro sistema, el punto cuántico nos permite conseguir electrones desapareados que aportan el grado de libertad del espín“.

De hecho, pueden sintonizar los bits cuánticos para que sean de un tipo u otro según su voluntad, o para que presenten un estado híbrido, “una superposición cuántica híbrida entre ser un bit cuántico de espín o un bit cuántico superconductor”.

Esto “abre un gran abanico de posibilidades que estamos explorando para proponer nuevas arquitecturas de bits cuánticos“, destaca el investigador.

Fuente: Nature Physics