Los rayos cósmicos podrían obstaculizar la computación cuántica

Un equipo de investigación multidisciplinar ha demostrado que la radiación de fuentes naturales en el medio ambiente puede limitar el rendimiento de los bits cuánticos superconductores, conocidos como qubits.

El descubrimiento, del que se informa en la revista Nature, tiene repercusiones en la construcción y el funcionamiento de las computadoras cuánticas, una forma avanzada de computación que ha atraído miles de millones de dólares en inversiones públicas y privadas en todo el mundo.

La colaboración entre los equipos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) del Departamento de Energía de los Estados Unidos y el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), ayuda a explicar una misteriosa fuente de interferencia que limita el rendimiento de los qubits.

“Nuestro estudio es el primero en mostrar claramente que la radiación ionizante de bajo nivel en el medio ambiente degrada el rendimiento de los qubits superconductores“, dijo John Orrell, un físico investigador del PNNL, autor principal del estudio y experto en la medición de la radiación de bajo nivel.

“Estos hallazgos sugieren que será necesario un blindaje contra la radiación para lograr el tan buscado rendimiento en los computadores cuánticos de este diseño“.

Los ingenieros informáticos saben desde hace al menos una década que la radiación natural que emana de materiales como el hormigón y que pulsa a través de nuestra atmósfera en forma de rayos cósmicos puede causar el mal funcionamiento de los computadores digitales.

Pero las computadoras digitales no son tan sensibles como una computadora cuántica.

“Encontramos que la computación cuántica práctica con estos dispositivos no será posible a menos que abordemos el tema de la radiación“, dijo el físico del PNNL Brent VanDevender, co-investigador del estudio.

Los investigadores se unieron para resolver un rompecabezas que ha estado interfiriendo en los esfuerzos por mantener a los computadores cuánticos superconductores funcionando durante el tiempo suficiente para hacerlos fiables y prácticos.

Un computador cuántico que funcionara sería miles de veces más rápido que incluso el supercomputador más rápido disponible hoy en día.

Y sería capaz de afrontar los retos informáticos que los computadores digitales actuales no están preparados para asumir.

Pero el reto inmediato es que los qubits mantengan su estado, una hazaña llamada “coherencia”, dijo Orrell.

Este deseable estado cuántico es lo que da a los computadores cuánticos su poder.

El físico del MIT Will Oliver estaba trabajando con qubits superconductores y se quedó perplejo ante una fuente de interferencia que ayudó a los qubits a abandonar su estado previo, lo que llevó a la “decoherencia” y los hizo no funcionales.

Después de descartar varias posibilidades, consideró la idea de que la radiación natural de fuentes como los metales encontrados en el suelo y la radiación cósmica del espacio pudieran estar empujando a los qubits hacia la decoherencia.

Una conversación casual entre Oliver, VanDevender, y su colaborador, el físico del MIT Joe Formaggio, condujo al proyecto actual.

Para probar la idea, el equipo de investigación midió el rendimiento de los qubits superconductores prototipo en dos experimentos diferentes:

-Expusieron los qubits a una elevada radiación procedente de metal de cobre activado en un reactor.

-Construyeron un escudo alrededor de los qubits que redujo la cantidad de radiación natural en su entorno.

El par de experimentos demostró claramente la relación inversa entre los niveles de radiación y el tiempo que los qubits permanecen en un estado coherente.

“La radiación rompe los emparejamientos de electrones que típicamente llevan la corriente eléctrica sin resistencia en un superconductor“, dijo VanDevender.

“La resistencia de esos electrones sin emparejar destruye el estado delicadamente preparado de un qubit“.

Los hallazgos tienen implicaciones inmediatas para el diseño y la construcción de qubits, concluyeron los investigadores.

Por ejemplo, los materiales utilizados para construir computadoras cuánticas deberían excluir material que emita radiación, dijeron los investigadores.

Además, podría ser necesario proteger a los computadores cuánticos experimentales de la radiación en la atmósfera.

Además de ayudar a explicar una fuente de inestabilidad de los qubits, los resultados de la investigación también pueden tener implicaciones para la búsqueda global de la materia oscura, que se cree que supone poco menos del 85% del universo conocido, pero que hasta ahora ha escapado a la detección humana con los instrumentos existentes.

Un método de búsqueda implica el uso de investigaciones que dependen de detectores superconductores de diseño similar a los qubits.

Los detectores de materia oscura también necesitarían ser protegidos de fuentes externas de radiación, porque la radiación puede desencadenar registros falsos que oscurezcan las señales deseables de materia oscura.

“Mejorar nuestra comprensión de este proceso puede conducir a mejores diseños para estos sensores superconductores y a búsquedas más sensibles de materia oscura“, dijo Ben Loer, físico investigador del PNNL que trabaja tanto en la detección de materia oscura como en los efectos de la radiación en los qubits superconductores.

“También podríamos usar nuestra experiencia con estos sensores de física de partículas para mejorar los futuros diseños de qubits superconductores“.

Fuente: Noticias de la Ciencia