computación cuántica
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| El sistema de computación cuántica de IBM tiene un criostato en su centro para enfriar el chip cuántico. Fuente: IBM. |
Los átomos individuales atrapados por "pinzas" ópticas están emergiendo como una plataforma computacional prometedora
08 febrero 2023.- La carrera para construir computadoras cuánticas prácticas podría estar entrando en una nueva fase. Algunas de las tecnologías pioneras se enfrentan ahora a limitaciones de tamaño, y otras se están quedando atrás rápidamente.
Durante años, dos enfoques líderes han permitido a los físicos progresar en parte llenando los dispositivos con más y más qubits, el equivalente cuántico de los bits de memoria de una computadora. Uno de esos métodos codifica qubits como corrientes que se ejecutan en bucles superconductores. El otro utiliza estados excitados de iones individuales atrapados en el vacío por campos electromagnéticos.
Pero en los últimos dos años, los qubits que consisten en átomos neutrales únicos, en lugar de iones, y se sujetan con 'pinzas' hechas de luz láser, de repente se han vuelto competitivos. Y otras técnicas que se encuentran en una etapa aún más temprana de desarrollo aún podrían ponerse al día.
La búsqueda de qubits
Las computadoras cuánticas prometen resolver problemas que están fuera del alcance de las máquinas clásicas aprovechando fenómenos como la superposición cuántica, en la que un objeto puede existir en dos estados simultáneos, por ejemplo, girando en sentido horario y antihorario. Los físicos llaman a estos estados qubits para distinguirlos de los bits ordinarios, que solo pueden ser '0' o '1'.
Los estados cuánticos son notoriamente frágiles. En una computadora cuántica, la información que transportan, que puede extenderse a través de varios qubits para formar estados 'enredados', tiende a degradarse o perderse a medida que avanza el cálculo. Para preservar los estados el mayor tiempo posible, los qubits deben mantenerse aislados del entorno. Pero no pueden estar demasiado aislados unos de otros porque deben interactuar para realizar cálculos.
Esto, entre otros factores, hace que construir una computadora cuántica útil sea un desafío, si bien el progreso está siendo realmente impresionante.
Google llegó a los titulares en 2019 cuando afirmó que una máquina hecha de 54 qubits superconductores había realizado la primera computación cuántica que habría tomado un tiempo imposible en una computadora clásica, un logro que los investigadores llaman ventaja cuántica . La empresa de tecnología IBM, que ha invertido mucho en qubits superconductores, espera alcanzar un hito en los próximos meses, cuando presente un chip cuántico llamado Condor, el primero en romper la barrera de los 1.000 qubits.
En noviembre pasado, la compañía anunció su chip anterior, el Osprey de 433 qubits, una continuación del Eagle de 127 qubits, que estableció un récord en 2021 .
Calidad y cantidad
El objetivo de IBM no es solo aumentar la cantidad de qubits, sino también mejorar su calidad. Algunos de los elementos superconductores de la empresa pueden mantener sus estados cuánticos durante más de 300 microsegundos, un récord para la tecnología. En otra medida crucial, el 99,9% de las operaciones que involucran dos qubits ahora están libres de errores.
La ampliación se vuelve poco práctica una vez que la cantidad de qubits superconductores en un chip supera los 1000, porque cada qubit debe conectarse individualmente a circuitos externos para su control y lectura. Por lo tanto, IBM adoptará un enfoque modular. A partir de 2024, cada paso adicional en su hoja de ruta tendrá como objetivo no aumentar la cantidad de qubits en un chip, sino vincular múltiples chips en una sola máquina, algo que no es sencillo si la conexión tiene que llevar los estados cuánticos ilesos o ayudar. para enredar qubits en chips separados. Los chips están en el corazón de artilugios masivos encerrados en sistemas criogénicos que mantienen los chips cerca de 0 kelvin.
Las computadoras de iones atrapados podrían tener restricciones de tamaño aún más estrictas que las superconductoras, en parte porque requieren un dispositivo láser separado para controlar cada ion. Por lo general, eso ha significado limitar las trampas a filas de alrededor de 32 iones por chip. Pero IonQ, una empresa nueva que surgió de la Universidad de Maryland en College Park, dice que su enfoque le permite empaquetar múltiples filas de iones en un solo chip, tal vez alcanzando hasta 1024 qubits. Para ir más allá, IonQ también planea pasar a un enfoque modular, conectando múltiples chips. En experimentos de laboratorio, los iones atrapados han alcanzado fidelidades de hasta el 99,99 %, según un portavoz de la empresa.
Tecnología de pinzas
Otra técnica, que, hasta hace unos años, apenas estaba en el radar, pronto podría romper también la barrera de los 1.000 qubits. Atrapa átomos neutros usando haces láser bien enfocados, llamados pinzas ópticas, y codifica qubits en los estados electrónicos de los átomos o en los espines de los núcleos de los átomos. El enfoque se ha estado desarrollando gradualmente durante más de una década, pero ahora está “en auge”.
Tecnología de pinzas mediante lásers enfocados. Fuente: ref. 1
Para ensamblar múltiples qubits, los físicos dividen un solo rayo láser en muchos, por ejemplo, pasándolo a través de una pantalla hecha de cristales líquidos. Esto puede crear matrices de cientos de pinzas, cada una atrapando su propio átomo. Los átomos suelen estar a unos pocos micrómetros de distancia de sus vecinos, donde pueden persistir en un estado cuántico durante varios segundos o más. Para hacer que los átomos interactúen, los físicos apuntan un láser separado a uno de ellos para provocarle un estado excitado, en el que un electrón exterior orbita mucho más lejos del núcleo de lo normal. Esto aumenta las interacciones electrostáticas del átomo con un vecino.
Usando pinzas, los investigadores han construido matrices de más de 200 átomos neutros, y están combinando rápidamente técnicas nuevas y existentes para convertirlas en computadoras cuánticas que funcionen completamente.
Una de las principales ventajas de la técnica es que los físicos pueden combinar múltiples tipos de pinzas, algunas de las cuales pueden moverse rápidamente, con los átomos que transportan. Esto hace que la técnica sea más flexible que otras plataformas, como los superconductores, en los que cada qubit puede interactuar solo con sus vecinos directos en el chip. Un equipo científico demostró esta flexibilidad en un artículo de abril de 2022 1 .
Los qubits basados en pinzas pronto deberían estar libres de errores en un 99%, aunque las mejoras adicionales requerirán un trabajo sustancial.
Control de giro ("espín")
Otras tecnologías qubit aún están en pañales, pero avanzan constantemente. Un método codifica información en el espín de electrones individuales atrapados por campos eléctricos dentro de semiconductores convencionales como el silicio . El año pasado, un equipo investigador demostró una máquina de seis qubits de este tipo en pleno funcionamiento 2 . Como en el caso de las pinzas ópticas, los giros de los electrones se pueden transportar alrededor del dispositivo para acercarlos a otros según se requiera. Pero al igual que otros tipos de qubit, una dificultad importante es evitar que los giros se influyan entre sí cuando no se supone que deben hacerlo, en lo que los físicos llaman diafonía.
El beneficio de los qubits basados en semiconductores sería la capacidad de fabricar chips en el mismo tipo de fábrica donde se producen los chips informáticos actuales.
Otro enfoque aún se encuentra en la etapa conceptual, pero ha recibido una inversión sustancial, en particular de Microsoft. La técnica tiene como objetivo explotar los "estados topológicos" para hacer que los qubits sean resistentes a la degradación, como una cuerda anudada que se puede torcer y tirar, pero no desatar. En 2020, los investigadores observaron el mecanismo físico básico para un tipo de protección topológica y ahora están trabajando para demostrar los primeros qubits topológicos.
Cada plataforma que se busca hoy en día tiene alguna promesa, pero desarrollarla puede requerir ideas realmente novedosas que no se pueden predecir. Cuando se trata de la carrera para desarrollar computadoras cuánticas, todavía es demasiado pronto para decir qué candidato ganará.
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