Producen los primeros procesadores cuánticos que utilizan átomos neutros como qubits

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Los primeros procesadores cuánticos que utilizan átomos neutros como qubits han sido producidos de forma independiente por dos grupos con sede en EE. UU.

El resultado es un hito porque las computadoras cuánticas atómicas pueden ser más fáciles de escalar que los dispositivos basados en circuitos superconductores o iones atrapados, las dos tecnologías que han dominado hasta ahora.

Los primeros qubits se demostraron en 1995 en iones atrapados por David Wineland, Chris Monroe y sus colegas del NIST en Boulder, Colorado, EE. UU.

Más recientemente, compañías como Google e IBM han producido computadoras que utilizan qubits superconductores de estado sólido, y el procesador IBM Eagle de 127 qubits se considera actualmente como el más poderoso.

Sin embargo, a medida que las computadoras cuánticas se han vuelto cada vez más grandes, esta plataforma ha encontrado problemas.

Los qubits superconductores deben construirse individualmente, por lo que es casi imposible fabricar copias idénticas.

Esto compromete la “fidelidad de la puerta” (la probabilidad de que la salida sea correcta).

Además, cada qubit debe enfriarse cerca del cero absoluto, una tarea que se vuelve cada vez más difícil a medida que aumenta el número de qubits.

Otras compañías, incluida la propia empresa emergente de Monroe, IonQ, han recurrido a los iones atrapados como alternativa.

En septiembre de 2020, el gigante industrial Honeywell anunció que su computadora de iones atrapados había alcanzado un “volumen cuántico” récord, una medida de las capacidades y tasas de error de la computadora.

Las computadoras de iones atrapados tienen la ventaja de que las leyes de la mecánica cuántica garantizan que cada ion es indistinguible, mientras que los iones en el vacío son relativamente fáciles de aislar del ruido térmico.

El problema es que “los iones interactúan fuertemente y es necesario moverlos con campos eléctricos“, dice Dolev Bluvstein de la Universidad de Harvard en los EE. UU. “Esto es bastante difícil en la práctica”.

En 2016, Mikhail Lukin de Harvard, junto con colegas del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) e, independientemente, investigadores del Institut d’Optique de París, dieron a conocer una tercera plataforma, que almacena información cuántica en átomos neutros que manipularon utilizando pinzas ópticas.

Al usar un láser para excitar los átomos a un estado de Rydberg altamente ionizado, los investigadores pudieron entrelazarlos con otros átomos, lo que permitió realizar operaciones de puerta antes de que la salida de la puerta se almacenara de manera estable una vez más.

Sin embargo, nadie ha demostrado previamente un circuito cuántico completo utilizando átomos neutros.

En la última investigación, ambos equipos almacenaron información cuántica en los estados hiperfinos de los átomos alcalinos: rubidio para Bluvstein y sus colegas dirigidos por Lukin, y cesio para un equipo dirigido por Mark Saffman de la Universidad de Wisconsin-Madison, junto con científicos de las firmas ColdQuanta y Riverlane.

Bluvstein explica que estos estados hiperfinos tienen varias ventajas.

“Si tienes dos átomos en un estado hiperfino uno al lado del otro, porque son tan robustos que no hacen nada”, dice.

“Entonces, si queremos entrelazar dos átomos a pedido, tratamos simultáneamente de excitarlos a ambos al estado de Rydberg.

Estos estados de Rydberg son enormes y tienen una interacción muy fuerte, y eso nos permite entrelazar los átomos muy rápidamente.

Ahora volvemos al estado hiperfino, sanos y salvos, donde los átomos entrelazados son resistentes a la pinza óptica”.

El grupo de Harvard-MIT usó esta robustez para separar físicamente los átomos entrelazados sin causar que pierdan la coherencia (es decir, que pierdan su información cuántica).

Cuando cada átomo llega a su destino, otro pulso del láser lo entrelaza con el próximo átomo.

Esto permite al grupo realizar operaciones de puertas cuánticas no locales sin necesidad de enlaces fotónicos o atómicos para mover el entrelazamiento por el circuito.

Los investigadores utilizaron este protocolo para ejecutar varios programas.

En particular, prepararon un “qubit lógico” compuesto por siete qubits físicos que podrían codificar información de manera resistente a errores.

Bluvstein señala que entrelazar múltiples qubits lógicos sería mucho más simple en el sistema de su equipo que en las alternativas que usan qubits estáticos.

“Hay muchos trucos diferentes llamados trenzado o cirugía de celosía que la gente usa para entrelazar qubits lógicos“, explica, “pero una vez que tienes el movimiento de los átomos y puedes entrelazarlos, es muy simple: todo lo que tienes que hacer es hacer dos de ellos de forma independiente, mover cada grupo de qubits, entrelazarlo con el otro grupo, pulsar el láser Rydberg una vez y hacer una puerta entre ellos”.

Esta flexibilidad, dice Bluvstein, debería permitir a los investigadores realizar correcciones de errores cuánticos y entrelazamientos entre qubits lógicos “de una manera que simplemente no es posible con qubits superconductores o iones atrapados“.

El grupo de Wisconsin tomó un rumbo diferente.

En lugar de mover físicamente sus átomos, utilizaron luz láser controlada con precisión para manipular las excitaciones Rydberg de los átomos y transferir el entrelazamiento alrededor de la red.

“Imagina que tienes tres qubits en una línea”, explica Saffman.

“Voy a tomar dos puntos de rayo láser e iluminar el que está más a la izquierda y el del centro.

Se emocionan con el estado de Rydberg, interactúan, se entrelazan”.

El siguiente paso, continúa Saffman, es mover los rayos láser para iluminar el átomo central y el de la derecha que antes estaba inactivo y excitar ambos al estado de Rydberg.

De esta manera, concluye, “los rayos láser controlan las operaciones de la puerta, pero los mecanismos de enlace reales son las interacciones atómicas de Rydberg“.

El grupo de Saffman demostró el poder de su esquema al producir estados de seis átomos conocidos como estados de Greenberger-Horne-Zeilinger, que a veces se denominan estados de gato de Schrödinger porque tienen las correlaciones no locales más fuertes posibles de todos los estados cuánticos de partículas múltiples.

El equipo de Wisconsin también demostró que su sistema podría actuar como un simulador cuántico al realizar varios problemas de estimación de fase cuántica, como estimar la energía de una molécula de hidrógeno.

Al mantener los átomos estáticos, el equipo de Wisconsin logró una velocidad de reloj varios cientos de veces más rápida que el grupo de Harvard-MIT, aunque con cierta pérdida de flexibilidad.

“En última instancia, creo que estos dos enfoques pueden combinarse en un solo sistema más poderoso, pero en este momento son dos ejemplos fascinantes de la multiplicidad de enfoques que uno puede tomar”, dice Saffman.

Hannah Williams, física atómica de la Universidad de Durham en el Reino Unido que no participó en la investigación, dice que ambos grupos han demostrado “la capacidad de la plataforma y su promesa para la computación cuántica al demostrar algoritmos cuánticos icónicos, ya sea corrección de errores o estimación de fase”.

Sin embargo, advierte que es necesario mejorar la fidelidad de las puertas y aumentar el número de átomos antes de que el sistema sea realmente competitivo.

“El punto de venta de los sistemas atómicos neutrales siempre es que deberían ser realmente fáciles de escalar, y las demostraciones se realizaron en un máximo de 24 qubits”, dice ella.

Monroe está de acuerdo y agrega que cree que los dos desafíos están conectados.

“Realmente no importa cuántos qubits tengas”, dice.

“Si solo puede ejecutarse con un 95 % de fidelidad, solo puede vincular unas 20 operaciones“.

También señala que las fidelidades de las puertas en los sistemas atómicos son actualmente demasiado bajas para beneficiarse del código de corrección de errores cuánticos demostrado por el grupo de Lukin.

Sin embargo, dice que los grupos están “haciendo lo correcto”, y agrega que los qubits atómicos tienen el potencial de alcanzar el 99,9% de fidelidad sin corrección de errores.

“Ya lo estamos haciendo con iones atrapados, y aunque los neutrales están rezagados, no tengo ninguna duda de que eventualmente llegarán allí y se beneficiarán de estos códigos muy eficientes”, concluye Monroe.

Fuente: Nature