La ciencia (como nosotros) no siempre está segura de dónde está el mejor futuro posible, y la informática no es una excepción. Ya sea en los sistemas semiconductores clásicos o en la realidad prospectiva de la computación cuántica, a veces hay múltiples caminos a seguir (y aquí está nuestro manual sobre computación cuántica si desea un repaso). Los qubits superconductores de Transmon (como los utilizados por IBM, Google y Alice&Bob) han ganado terreno como uno de los tipos de qubits más prometedores. Pero una nueva investigación del MIT podría abrir la puerta a otro tipo de qubits superconductores que son más estables y podrían ofrecer circuitos de cálculo más complejos: los qubits de fluxonio.
Los qubits son el equivalente de la computación cuántica a los transistores: si se combinan un número cada vez mayor de ellos, se obtendrá un mayor rendimiento informático (en teoría). Pero mientras que los transistores son deterministas y solo pueden representar un sistema binario (piense en el resultado como cualquier cara de una moneda, asignada a 0 o 1), los qubits son probabilísticos y pueden representar las diferentes posiciones de la moneda mientras gira en el aire. . Esto le permite explorar un espacio más grande de posibles soluciones que el que se puede representar fácilmente mediante lenguajes binarios (razón por la cual la computación cuántica puede ofrecer un procesamiento mucho más rápido de ciertos problemas).
Una limitación actual de la computación cuántica es la precisión de los resultados calculados: si está buscando, por ejemplo, nuevos diseños de medicamentos para el cuidado de la salud, sería un eufemismo decir que necesita que los resultados sean correctos, replicables y demostrables. Pero los qubits son sensibles y quisquillosos ante factores estresantes externos como la temperatura, el magnetismo, las vibraciones, las colisiones de partículas fundamentales y otros elementos, que pueden introducir errores en el cálculo o colapsar por completo los estados entrelazados. La realidad de que los qubits son mucho más propensos a sufrir interferencias externas que los transistores es uno de los obstáculos en el camino hacia la ventaja cuántica; por lo que una solución radica en poder mejorar la precisión de los resultados calculados.
Tampoco se trata sólo de aplicar código de corrección de errores a resultados de baja precisión y convertirlos mágicamente en los resultados correctos que queremos. El reciente avance de IBM en esta área (aplicándose a los qubits transmon) mostró los efectos de un código de corrección de errores que predijo la interferencia ambiental dentro de un sistema de qubit. Ser capaz de predecir la interferencia significa que puede tener en cuenta sus efectos dentro de los resultados sesgados y compensarlos en consecuencia, llegando a la verdad fundamental deseada.
Pero para que sea posible aplicar códigos de corrección de errores, el sistema ya debe haber superado un «umbral de fidelidad»: una precisión mínima a nivel operativo que permite que esos códigos de corrección de errores sean suficientes para que podamos para extraer resultados previsiblemente útiles y precisos de nuestra computadora cuántica.
Algunas arquitecturas de qubits, como los qubits de fluxonio, la arquitectura de qubits en la que se basa la investigación, poseen una mayor estabilidad de base contra interferencias externas. Esto les permite permanecer coherentes durante períodos de tiempo más prolongados, una medida de cuánto tiempo se puede utilizar eficazmente el sistema qubit entre los cierres y la pérdida total de información. Los investigadores están interesados en los qubits de fluxonio porque ya han desbloqueado tiempos de coherencia de más de un milisegundo, aproximadamente diez veces más de lo que se puede lograr con los qubits superconductores transmon.
La novedosa arquitectura de qubits permite realizar operaciones entre qubits de fluxonio con importantes niveles de precisión. Dentro de él, el equipo de investigación permitió que las puertas de dos qubits basadas en fluxonio se ejecutaran con una precisión del 99,9% y las puertas de un solo qubit se ejecutaran con una precisión récord del 99,99%. La arquitectura y el diseño se publicaron bajo el título «Puertas de fluxonio de dos qubits de frecuencia flexible y alta fidelidad con un acoplador Transmon» en PHYSICAL REVIEW X.
Descripción general del dispositivo y principio de puerta. (a) Esquema de circuito simplificado de dos qubits de fluxonio (rojo) acoplados capacitivamente a un acoplador transmon sintonizable (azul). (b) Micrografía óptica en color falso de los dos qubits de fluxonio y el transmon junto con sus resonadores de lectura, líneas de carga y líneas de flujo local. Conjuntos de 102 uniones Josephson en serie forman las inductancias de fluxonio. (c) Diagrama de niveles de energía que ilustra el principio de la puerta CZ. En la práctica, los niveles |201⟩, |102⟩ y |111⟩ están altamente hibridados y conducir selectivamente cualquiera de estas transiciones da como resultado una puerta CZ.
(Crédito de la imagen: Sociedad Estadounidense de Física)Se podría pensar en los qubits de fluxonio como una arquitectura de qubit alternativa con sus propias fortalezas y debilidades; no como una evolución de la computación cuántica anterior. Los qubits Transmon están hechos de una única unión Josephson desviada por un condensador grande, mientras que los qubits fluxonium están hechos de una pequeña unión Josephson en serie con una serie de uniones más grandes o un material de alta inductancia cinética. Es en parte por esto que los qubits de fluxonio son más difíciles de escalar: requieren esquemas de acoplamiento más sofisticados entre qubits, a veces incluso usando qubits transmon para este propósito. El diseño de arquitectura de fluxonio descrito en el artículo hace precisamente eso en lo que se llama arquitectura Fluxonium-Transmon-Fluxonium (FTF).
Los qubits Transmon como los utilizados por IBM y Google son relativamente más fáciles de manipular en matrices de qubits más grandes (Osprey de IBM ya tiene 433 qubits) y tienen tiempos de operación más rápidos, realizando operaciones de puerta rápidas y simples mediadas por pulsos de microondas. Los qubits de fluxonio ofrecen la posibilidad de realizar operaciones de compuerta más lentas pero más precisas a través de pulsos moldeados que lo que permitiría un enfoque exclusivo de transmon.
No hay ninguna promesa de un camino fácil hacia la ventaja cuántica a través de ninguna arquitectura de qubit; Ésa es la razón por la que tantas empresas siguen enfoques diferentes. En este escenario, puede ser útil pensar en que esta era cuántica de escala intermedia ruidosa (NISQ) es la era en la que florecen múltiples arquitecturas cuánticas. Desde superconductores topológicos (según Microsoft) hasta vacantes de diamantes, superconducción transmonónica (IBM, Google, otros), trampas de iones y una miríada de otros enfoques, esta es la era en la que nos asentaremos en ciertos patrones dentro de la computación cuántica. Todas las arquitecturas pueden florecer, pero quizás lo más probable es que sólo algunas lo hagan, lo que también justifica por qué los estados y las corporaciones no están persiguiendo una única arquitectura qubit como su enfoque principal.
Los numerosos y aparentemente viables enfoques de la computación cuántica que estamos presenciando nos colocaron justo en el medio del camino de la ramificación antes de que x86 ganara dominio como la principal arquitectura para la computación binaria. Queda por ver si el futuro de la computación cuántica se pondrá de acuerdo fácil (y pacíficamente) sobre una tecnología en particular, y cómo será un futuro cuántico heterogéneo.