Las computadoras cuánticas prometen una vasta potencia de procesamiento, pero sus bloques de construcción tienen una falla seria: los cúbits en su mayoría se comunican con sus vecinos más cercanos. Ahora, científicos de la Universidad de Warwick han encontrado una forma de sortear ese problema, utilizando ondas sonoras para conectar cúbits a través de un chip. El resultado, publicado el 15 de junio en APL Quantum, podría finalmente hacer posible la computación cuántica a gran escala.
El equipo construyó una unidad de procesamiento cuántico (QPU) de prototipo que empareja cúbits con fonones —cuasipartículas que transportan energía de vibración. Llaman al enfoque Enlaces Fonónicos Cuánticos, o EFQ. En lugar de depender de ondas acústicas de superficie, que requieren diseños complejos y hardware adicional, los investigadores de Warwick utilizan la propia red cristal del chip para permitir que cúbits distantes intercambien información cuántica.
El Problema con los Cúbits Vecinos
Las computadoras cuánticas funcionan manipulando cúbits, que contienen información cuántica en estados de superposición. Pero los cúbits son frágiles. Muévalos demasiado lejos, y pierden coherencia —su información cuántica se desvanece.
La solución convencional es mantener los cúbits cerca uno del otro. Eso funciona para máquinas pequeñas, pero falla para las grandes. Una máquina con un millón de cúbits necesita una forma de que los cúbits en lados opuestos del chip se comuniquen entre sí.
«Uno de los desafíos clave en la computación cuántica es la conectividad de cúbits de largo alcance», dijo Maksym Myronov, profesor asociado de materiales y dispositivos semiconductores en la Universidad de Warwick y primer autor del estudio, en una declaración. «Nuestro trabajo introduce un nuevo concepto en el que los fonones actúan como un bus cuántico, permitiendo que cúbits distantes intercambien información cuántica mientras permanecen totalmente compatibles con la tecnología semiconductora.»
Fonones como Buses Cuánticos
El enfoque de los fonones toma ideas de la física de la materia condensada. Los fonones son cuasipartículas que representan vibración colectiva en un sólido. Naturalmente existen en semiconductores, y viajan a través de la red cristal.
Los EFQ del equipo de Warwick son guías de onda y cavidades diseñadas que confinan y guían modos acústicos dentro de un «pozo cuántico» de germanio sometido a tensión compresiva. Un pozo cuántico es una capa ultradelgada que actúa como guía para partículas.
Los investigadores se enfocaron en cúbits hechos de huecos de la banda de valencia —la ausencia de electrones a cero absoluto— alojados en un material especializado que denominan germanio sometido a compresión sobre silicio, o cs-GoS. El germanio es particularmente útil para la computación cuántica porque reduce la decoherencia causada por la interferencia externa.
Cómo Funcionan los Cúbits de Espín de Huecos
Un hueco es la ausencia de un electrón, pero se comporta como una partícula con un estado de espín. Ese estado de espín puede codificar información cuántica, con 1s y 0s representados por la dirección del espín.
Los cúbits de espín de huecos tienen tiempos de coherencia largos —pueden retener información cuántica durante un tiempo—. También se comunican utilizando impulsos de electrones en los sistemas de control. Pero tienen dificultades para vincularse y compartir información cuántica con cúbits que no están directamente a su lado.
Ese es un problema importante para la corrección de errores. Los sistemas grandes necesitan cúbits distantes para acoplarse de manera efectiva, y los métodos convencionales no cumplen con las expectativas.
Comparando los Enfoques
Existen otras propuestas de comunicación de largo alcance. Algunas redireccionan capacitores para reducir la sensibilidad al ruido de carga. Otras utilizan ondas acústicas de superficie. Ambas tienen limitaciones fundamentales en cuanto a tamaño y coherencia.
Los QPL evitan esos problemas. Al utilizar fonones como las conexiones, la técnica ofrece una interfaz versátil para sistemas cuánticos híbridos —computadoras convencionales con funcionalidad de computación cuántica—. Eso podría permitir la interconexión coherente de cúbits de espín semiconductores con otras plataformas cuánticas, como la computación cuántica basada en la nube.
El Chip Prototipo
Para demostrar la tecnología, el equipo creó un QPU con silicio y una fina capa de cristal de germanio. El material cs-GoS alberga los huecos de la banda de valencia.
Los investigadores enviaron vibraciones similares a las del sonido a través del material especializado para transportar información cuántica entre los cúbits distantes. Vinculan cúbits separados por menos de un micrómetro —una milésima parte de un milímetro— y aquellos hasta 300 mm —11.8 pulgadas— de distancia.
La lenta velocidad de propagación de ondas y la corta longitud de onda de las excitaciones acústicas fueron clave para que esto funcionara. Los estados de espín en el material son altamente sensibles a las deformaciones de la red, lo que permite un control y acoplamiento precisos de los estados de espín con la energía vibracional.
¿Qué sigue?
La combinación de la ingeniería fonónica y la física de espín-agujero hace de cs-GoS una plataforma prometedora para arquitecturas cuánticas de próxima generación, según los investigadores. Podría lograr tanto el acoplamiento coherente de largo alcance como la integración a gran escala.
El trabajo se basa en avances anteriores en la computación cuántica. Otros desarrollos recientes incluyen un chip de computación cuántica «más preciso» y una computación cuántica inspirada en el gato de Schrödinger que es 160 veces más confiable.
El enfoque del equipo de Warwick es distinto. Utiliza el propio entramado del chip para mover información, en lugar de agregar componentes externos.
El resultado fundamental
La conectividad de qubits de largo alcance es uno de los problemas más difíciles en la computación cuántica. El equipo de Warwick ha encontrado una solución ingeniosa, utilizando fonones como un bus cuántico.
El enfoque es prometedor, y el prototipo demuestra la física subyacente. Queda por ver si se puede escalar a un millón de qubits. Pero el camino es ahora más claro.
El artículo se titula «Enlaces fonónicos cuánticos para el acoplamiento de largo alcance en el chip de qubits de espín-agujero en germanio sometido a compresión en silicio». Fue escrito por Myronov, Yonjali Yonjali y Studenikin. El DOI es 10.1063/5.0332643.
La investigación aún está en desarrollo. Una computadora cuántica con un millón de qubits podría expandir los límites de lo que puede hacer la computación. El bus de fonones es un paso en esa dirección.
- La lenta velocidad de propagación de las excitaciones acústicas
- La corta longitud de onda de las excitaciones acústicas
- La alta sensibilidad de los estados de espín a las deformaciones del entramado
- El control y el acoplamiento precisos de los estados de espín con la energía vibracional.
Material fuente: “Nuevo chip cuántico aprovecha extrañas partículas cuasipartículas para que los cúbits se comuniquen a largas distancias”, Live Science.
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