100 veces más que los puntos de referencia anteriores: un avance cuántico

En el mundo de la computación cuántica, dos milisegundos, o dos milésimas de segundo, es un período de tiempo muy largo.

Investigadores de la Universidad de Nueva Gales del Sur ahora han abierto nuevos caminos al demostrar que los ‘cúbits giratorios’, que son las unidades de información fundamentales de las computadoras cuánticas, pueden almacenar datos por hasta dos milisegundos. El logro es 100 veces más largo que los puntos de referencia anteriores en el mismo procesador cuántico por lo que se conoce como «tiempo de coherencia», la cantidad de tiempo que los qubits pueden manipularse en cálculos cada vez más complicados.

«Un tiempo de coherencia más largo significa que tiene más tiempo para almacenar su información cuántica, que es exactamente lo que necesita cuando realiza operaciones cuánticas», dice Ph.D. estudiante Sra. Amanda Seedhouse, cuyo trabajo en computación cuántica teórica contribuyó al logro.

«El tiempo de coherencia básicamente te dice cuánto tiempo puedes hacer todas las operaciones en cualquier algoritmo o secuencia que quieras hacer antes de perder toda la información en tus qubits».

Cuantos más giros pueda mantener en movimiento en la computación cuántica, más probable es que la información se mantenga durante los cálculos. El cálculo colapsa cuando los qubits de giro dejan de girar y los valores representados por cada qubit se pierden. En 2016, ingenieros cuánticos de la Universidad de Nueva Gales del Sur confirmaron experimentalmente el concepto de extensión de la coherencia.

Para complicar aún más las cosas, las computadoras cuánticas en funcionamiento del futuro deberán realizar un seguimiento de los valores de millones de qubits si quieren resolver algunos de los problemas más difíciles de la humanidad, como la búsqueda de vacunas efectivas, el modelado de sistemas meteorológicos y la predicción del efectos del cambio climático.

A fines del año pasado, el mismo equipo de la Universidad de Nueva Gales del Sur resolvió un problema técnico que había dejado perplejos a los ingenieros durante décadas sobre cómo manipular millones de qubits sin generar más calor e interferencia. En lugar de agregar miles de antenas diminutas para controlar millones de electrones con ondas magnéticas, el equipo de investigación ideó una forma de usar una sola antena para controlar todos los qubits en el chip mediante la introducción de un cristal llamado resonador dieléctrico. Publicaron estos hallazgos en la revista Science Advances .

Esto resolvió el problema del espacio, el calor y el ruido que inevitablemente aumentaría a medida que más y más qubits se pusieran en línea para realizar los alucinantes cálculos que son posibles cuando los qubits no solo representan 1 o 0 como las computadoras binarias convencionales, sino ambos a la vez. , utilizando un fenómeno conocido como superposición cuántica.

Control global vs individual

Sin embargo, este logro de prueba de concepto aún dejaba algunos desafíos por resolver. La investigadora principal, la Sra. Ingvild Hansen, se unió a la Sra. Seedhouse para abordar estos temas en una serie de artículos publicados en las revistas Physical Review B , Physical Review A y Applied Physics Reviews .

Poder controlar millones de qubits con una sola antena fue un gran paso adelante. Pero si bien el control de millones de qubits a la vez es una gran hazaña, las computadoras cuánticas en funcionamiento también necesitarán que se manipulen individualmente. Si todos los qubits de espín giran casi a la misma frecuencia, tendrán los mismos valores. ¿Cómo podemos controlarlos individualmente para que puedan representar diferentes valores en un cálculo?

“Si imaginas a un artista de circo girando platos, mientras todavía están girando, la actuación puede continuar. De la misma manera, si manejamos qubits continuamente, estos pueden retener información por más tiempo. Mostramos que tales qubits ‘vestidos’ tenían tiempos de coherencia de más de 230 microsegundos [230 millonésimas de segundo]».

Después de que el equipo demostrara que los tiempos de coherencia podían extenderse con los llamados qubits «vestidos», el siguiente desafío fue hacer que el protocolo fuera más sólido y demostrar que los electrones controlados globalmente también pueden controlarse individualmente para que puedan tener los diferentes valores necesarios. para cálculos complejos.

Esto se logró mediante la creación de lo que el equipo denominó el protocolo qubit ‘SMART’: modulado sinusoidalmente, siempre giratorio y personalizado.

En lugar de tener qubits girando en círculos, los manipularon para que se balancearan hacia adelante y hacia atrás como un metrónomo. Luego, si se aplica un campo eléctrico individualmente a cualquier qubit, sacándolo de resonancia, se puede poner en un tempo diferente al de sus vecinos, pero aún moviéndose al mismo ritmo.

“Piense en ello como dos niños en un columpio que avanzan y retroceden en sincronía”, dice la Sra. Seedhouse. “Si le damos un empujón a uno de ellos, podemos hacer que lleguen al final de su arco en los extremos opuestos, por lo que uno puede ser un 0 cuando el otro ahora es un 1”.

El resultado es que no solo se puede controlar un qubit individualmente (electrónicamente) bajo la influencia del control global (magnéticamente), sino que el tiempo de coherencia es, como se indicó anteriormente, sustancialmente más largo y adecuado para los cálculos cuánticos.

“Hemos mostrado una forma simple y elegante de controlar todos los qubits a la vez que también ofrece un mejor rendimiento”, dice el Dr. Henry Yang, uno de los investigadores principales del equipo.

«El protocolo SMART será un camino potencial para las computadoras cuánticas a gran escala».

El equipo de investigación está dirigido por el profesor Andrew Dzurak, director ejecutivo y fundador de Diraq, una empresa derivada de la Universidad de Nueva Gales del Sur que está desarrollando procesadores informáticos cuánticos que se pueden fabricar utilizando la fabricación estándar de chips de silicio.

Próximos pasos

“Nuestro próximo objetivo es mostrar este trabajo con cálculos de dos qubits después de mostrar nuestra prueba de concepto en nuestro artículo experimental con un qubit”, dice la Sra. Hansen.

«Después de eso, queremos demostrar que también podemos hacer esto para un puñado de qubits, para demostrar que la teoría se prueba en la práctica».