Un chip progresista resuelve dolores de inicio cuánticos

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Los físicos cuánticos de la Universidad de Copenhague informan del éxito internacional de Dinamarca en el campo de la tecnología cuántica. Al operar simultáneamente en múltiples qubits de espín en el mismo chip cuántico, han superado un obstáculo clave en el camino hacia la supercomputadora del futuro. El resultado es un buen augurio para el uso de materiales semiconductores como plataforma para computadoras cuánticas de estado sólido.

Uno de los quebraderos de cabeza de la ingeniería en el maratón global de una gran computadora cuántica funcional es controlar muchos dispositivos de memoria básicos … qubit — al mismo tiempo. Esto se debe a que el control de un qubit normalmente se ve afectado negativamente por pulsos de control simultáneos aplicados a otro qubit. Ahora, un par de jóvenes físicos cuánticos en el Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague – estudiante de doctorado, ahora Postdoctorado, Federico Fedele, 29, y Asst. Prof. Anasua Chatterjee, 32, – trabaja en el grupo de la Assoc. El profesor. Ferdinand Kuemmeth, han logrado superar este obstáculo.

La investigación del qubit global se basa en diversas tecnologías. Si bien Google e IBM han recorrido un largo camino con los procesadores cuánticos basados ​​en la tecnología de superconductores, el grupo de investigación UCPH está apostando por los qubits de semiconductores, conocidos como girar qubit.

«En general, están formados por espines de electrones atrapados en nanoestructuras semiconductoras llamadas puntos cuánticos, de modo que los estados de espín individuales pueden controlarse y entrelazarse entre sí», explica Federico Fedele.

Los qubits de espín tienen la ventaja de mantener sus estados cuánticos durante mucho tiempo. Esto potencialmente les permite realizar cálculos más rápidos e impecables que otros tipos de plataformas. Y son tan pequeños que se pueden colocar muchos más en un chip que con otros métodos de qubit. Cuantos más qubits, más potencia de procesamiento tiene una computadora. El equipo de UCPH amplió el estado de la técnica fabricando y ejecutando cuatro qubits en una matriz de 2×2 en un solo chip.

El circuito es «el nombre del juego»

Hasta ahora, el principal objetivo de la tecnología cuántica ha sido producir cada vez mejores qubits. Ahora se trata de hacer que se comuniquen entre sí, explica Anasua Chatterjee:

«Ahora que tenemos algunos qubits bastante buenos, el nombre del juego es conectarlos en circuitos que pueden hacer que numerosos qubits funcionen, al tiempo que son lo suficientemente complejos como para poder corregir errores de computación cuántica. Hasta ahora, la investigación sobre qubits de espín ha llegan al punto en que los circuitos contienen matrices de qubits 2×2 o 3×3. El problema es que sus qubits solo se manejan uno a la vez «.

Aquí es donde el circuito cuántico de los jóvenes físicos cuánticos, que consiste en la sustancia semiconductora arseniuro de galio y no es más grande que el tamaño de una bacteria, marca la diferencia:

«Lo nuevo y realmente significativo de nuestro chip es que podemos operar y medir todos los qubits simultáneamente. Esto nunca se ha demostrado antes con spin qubits, ni con muchos otros tipos de qubits», dice Chatterjee, quien es uno de los dos. los principales autores del estudio, que se publicó recientemente en la revista Revisión física X Quantum.

Poder operar y medir simultáneamente es esencial para realizar cálculos cuánticos. De hecho, si tiene que medir qubits al final de un cálculo, es decir, detener el sistema para obtener un resultado, los frágiles estados cuánticos colapsan. Por lo tanto, es imperativo que la medición sea sincrónica, de modo que los estados cuánticos de todos los qubits se cierren al mismo tiempo. Si los qubits se miden uno por uno, el menor ruido ambiental puede alterar la información cuántica en un sistema.

Hito

La construcción del nuevo circuito es un hito en el largo camino hacia una computadora cuántica semiconductora.

«Para obtener procesadores cuánticos más potentes, no solo necesitamos aumentar el número de qubits, sino también el número de operaciones simultáneas, que es exactamente lo que hemos hecho», dice el profesor Kuemmeth, quien dirigió la investigación.

Por el momento, uno de los principales desafíos es que los 48 electrodos de control del chip deben ajustarse manualmente y mantenerse sintonizados continuamente a pesar de la deriva ambiental, lo cual es una tarea tediosa para un humano. Es por eso que su equipo de investigación ahora está investigando cómo se podrían usar los algoritmos de optimización y el aprendizaje automático para automatizar el ajuste. Para permitir la fabricación de matrices de qubit aún más grandes, los investigadores comenzaron a trabajar con socios industriales para fabricar la próxima generación de chips cuánticos. En general, los esfuerzos sinérgicos de la informática, la ingeniería microelectrónica y la física cuántica pueden llevar los qubits de espín al siguiente nivel.

ACERCA DE QUBIT

El cerebro de la computadora cuántica que los científicos están intentando construir constará de muchas matrices de qubit, similares a los bits de los microchips de los teléfonos inteligentes. Constituirán la memoria de la máquina. La famosa diferencia es que mientras que un bit ordinario puede almacenar datos en el estado de 1 o 0, un qubit puede residir en ambos estados simultáneamente, lo que se conoce como superposición cuántica, lo que hace que la computación cuántica sea exponencialmente más poderosa.

INFORMACIÓN DE CHIP

Los cuatro qubits de espín del chip están hechos de material semiconductor de arseniuro de galio. Ubicado entre los cuatro qubits hay un punto cuántico más grande que conecta los cuatro qubits entre sí y que los investigadores pueden usar para sintonizar todos los qubits al mismo tiempo.

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