Nueva plataforma qubit podría transformar la ciencia y la tecnología de la información cuántica

Sin duda, está viendo este artículo en un dispositivo digital cuya unidad básica de información es el bit, ya sea 0 o 1. Científicos de todo el mundo están compitiendo para desarrollar un nuevo tipo de computadora basada en el uso de bits cuánticos o qubits.

Un equipo dirigido por el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) anunció la creación de una nueva plataforma qubit formada por la congelación de gas neón en un sólido a temperaturas muy bajas, rociando electrones del filamento de una bombilla sobre el sólido, y atrapando un solo electrón allí.

Este sistema muestra una gran promesa para convertirse en bloques de construcción ideales para futuras computadoras cuánticas.

“Parecería que un qubit ideal puede estar en el horizonte.

Gracias a la relativa simplicidad de la plataforma de electrones sobre neón, debería prestarse a una fabricación fácil a bajo costo”, dijo Dafei Jin, científico de Argonne en el Centro de Materiales a Nanoescala

Un qubit es especial porque puede ser 0 y 1 simultáneamente.

Los físicos a veces comparan este estado con un famoso experimento mental cuántico en el que un gato escondido en una caja está teóricamente vivo y muerto al mismo tiempo antes de que alguien abra la caja y mire dentro.

Cuando hay muchos qubits, tales estados superpuestos dan a las computadoras cuánticas una potencia tremendamente mayor.

Por lo tanto, algún día podrían resolver problemas complejos más allá de cualquier supercomputadora clásica.

Para crear una computadora cuántica útil, los requisitos de calidad para los qubits son extremadamente exigentes.

Si bien existen varias formas de qubits en la actualidad, ninguna de ellas es ideal.

¿Qué haría un qubit ideal? Tiene al menos tres cualidades excelentes, según Dafei Jin, científico de Argonne e investigador principal del proyecto.

Puede permanecer en un estado 0 y 1 simultáneo (¡recuerde el gato!) durante mucho tiempo.

Los científicos llaman a esto largo “coherencia“.

Lo ideal sería que ese tiempo rondara el segundo, un paso de tiempo que podemos percibir en un reloj de casa en nuestro día a día.

En segundo lugar, el qubit se puede cambiar de un estado a otro en poco tiempo.

Idealmente, ese tiempo sería alrededor de una milmillonésima de segundo (nanosegundo), un paso de tiempo de un reloj de computadora clásico.

En tercer lugar, el qubit se puede vincular fácilmente con muchos otros qubits para que puedan funcionar en paralelo entre sí.

Los científicos se refieren a este vínculo como entrelazamiento.

Aunque en la actualidad los conocidos qubits no son los ideales, empresas como IBM, Intel, Google, Honeywell y muchas startups han elegido su favorito.

Están persiguiendo agresivamente la mejora tecnológica y la comercialización.

“Nuestro ambicioso objetivo no es competir con esas empresas, sino descubrir y construir un sistema qubit fundamentalmente nuevo que pueda conducir a una plataforma ideal“, dijo Jin.

Si bien hay muchas opciones de tipos de qubit, el equipo eligió la más simple: un solo electrón.

Calentar un filamento de luz simple que puede encontrar en el juguete de un niño puede disparar fácilmente un suministro ilimitado de electrones.

Uno de los desafíos para cualquier qubit, incluido el electrón, es que es muy sensible a las perturbaciones de su entorno.

Por lo tanto, el equipo eligió atrapar un electrón en una superficie de neón sólido ultrapuro en el vacío.

El neón es uno de un puñado de elementos inertes que no reaccionan con otros elementos.

“Debido a esta inercia, el neón sólido puede servir como el sólido más limpio posible en el vacío para albergar y proteger cualquier cúbit de la interrupción“, dijo Jin.

Un componente clave en la plataforma qubit del equipo es un resonador de microondas a escala de chip hecho de un superconductor. (El horno de microondas doméstico, mucho más grande, también es un resonador de microondas).

Los superconductores (metales sin resistencia eléctrica) permiten que los electrones y los fotones interactúen entre sí casi al cero absoluto con una pérdida mínima de energía o información.

“El resonador de microondas proporciona de manera crucial una forma de leer el estado del qubit“, dijo Kater Murch, profesora de física en la Universidad de Washington en St. Louis y coautora principal del artículo. ​

“Concentra la interacción entre el qubit y la señal de microondas.

Esto nos permite hacer mediciones que indican qué tan bien funciona el qubit”.

“Con esta plataforma, logramos, por primera vez, un fuerte acoplamiento entre un solo electrón en un entorno de vacío cercano y un solo fotón de microondas en el resonador“, dijo Xianjing Zhou, designado postdoctoral en Argonne y el primer autor del artículo.

“Esto abre la posibilidad de usar fotones de microondas para controlar cada qubit de electrones y vincular muchos de ellos en un procesador cuántico”, agregó Zhou.

“Nuestros qubits son en realidad tan buenos como los que la gente ha estado desarrollando durante 20 años”, dijo David Schuster, profesor de física en la Universidad de Chicago y coautor principal del artículo.

El equipo probó la plataforma en un instrumento científico llamado refrigerador de dilución, que puede alcanzar temperaturas tan bajas como apenas 10 miligrados por encima del cero absoluto.

Este instrumento es una de las muchas capacidades cuánticas en el Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

El equipo realizó operaciones en tiempo real con un qubit de electrones y caracterizó sus propiedades cuánticas.

Estas pruebas demostraron que el neón sólido proporciona un entorno robusto para el electrón con un ruido eléctrico muy bajo para perturbarlo.

Lo que es más importante, el qubit alcanzó tiempos de coherencia en el estado cuántico competitivos con los qubits de última generación.

“Esta es solo nuestra primera serie de experimentos. Nuestra plataforma qubit está lejos de estar optimizada.

Seguiremos mejorando los tiempos de coherencia.

Y debido a que la velocidad de operación de esta plataforma qubit es extremadamente rápida, solo unos nanosegundos, la promesa de ampliarla a muchos qubits entrelazados es significativa”.

Todavía hay una ventaja más para esta notable plataforma qubit.

“Gracias a la relativa simplicidad de la plataforma de electrones sobre neón, debería facilitar la fabricación a bajo costo”, dijo Jin.

“Parece que un qubit ideal puede estar en el horizonte“.

Fuente: Nature