Un equipo de investigadores de la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW) en Sydney ha logrado un gran avance en los tiempos de coherencia de los qubits de espín (se abre en una pestaña nueva). La investigación aprovechó el trabajo previo del equipo en los llamados qubits «vestidos»: qubits constantemente bajo el efecto de un campo electromagnético que los protege de la interferencia. Además, los investigadores aprovecharon un protocolo recientemente diseñado, SMART, (se abre en una pestaña nueva) que aprovecha los tiempos de coherencia aumentados para permitir que los qubits individuales sean persuadidos de manera segura para realizar los cálculos requeridos.
Las mejoras permitieron a los investigadores registrar tiempos de coherencia de hasta dos milisegundos, más de cien veces más altos que los métodos de control similares en el pasado, pero todavía muy lejos de la cantidad de tiempo que tardan los párpados en parpadear.
Hay varias formas de aumentar la potencia de cálculo disponible para un sistema cuántico (se abre en una pestaña nueva). Uno de ellos es aumentar el número de qubits, que pueden considerarse similares a los transistores clásicos. Además de aumentar la cantidad de qubits direccionables en un sistema determinado, también importa si los resultados que brindan estos qubits son correctos (para lo cual se están desarrollando varias implementaciones de corrección de errores). Otra forma más de mejorar el rendimiento es aumentar la cantidad de veces que los qubits pueden contener su información antes de la decoherencia, el momento en que el estado de los qubits colapsa, lo que lleva a la pérdida de toda la información que contienen. En el caso de los qubits de espín, cada vez que el electrón deja de girar es la sentencia de muerte para el estado de los qubits.
“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”, dijo Ph.D. estudiante 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”, continuó Amanda.
El protocolo SMART (Sinusoidally Modulated, Always Rotating and Tailored) de los investigadores tiene como objetivo mejorar los tiempos de coherencia al reducir la interferencia introducida en el entorno de un qubit, al tiempo que permite un control detallado de cada qubit.
Una forma de interactuar con los qubits de espín de silicio es someterlos a campos de microondas, aunque se ha demostrado que es un método exigente: tradicionalmente se ha requerido un emisor de microondas para controlar cada uno de los qubits en funcionamiento. Sin embargo, mantener tantos campos magnéticos basados en microondas que trabajan en el ámbito cuántico, junto con el consumo de energía cada vez mayor y el aumento de la disipación térmica de la gran cantidad de antenas, tiende a aumentar el ruido ambiental. Y un mayor ruido ambiental aumenta las posibilidades de que se produzca una decoherencia de qubits. Además, los intentos de los científicos por aumentar el control sobre los estados de los cúbits fueron en contra de los tiempos de coherencia.
Todo esto sería prohibitivo frente a los requisitos de la computación cuántica a gran escala, que se espera que requieran millones de qubits trabajando armoniosamente hacia un objetivo computacional final.
Usando un resonador dieléctrico, los investigadores demostraron que la totalidad del campo qubit podría controlarse usando una sola antena en su lugar. (se abre en una pestaña nueva). La antena, que se espera que maneje millones de qubits simultáneamente, funciona manteniendo el giro del electrón, la propiedad cuántica de la que los qubits de silicio derivan parte de su encanto. Otro elemento es que los qubits de silicio podrían eventualmente aprovechar la experiencia de décadas de los fabricantes de silicio para lograr el máximo rendimiento de este material y los más altos rendimientos de fabricación.
Pero si bien es esencial mantener los estados de giro de todos los campos qubit (se abre en una pestaña nueva) (para que no se descoheren), los cálculos precisos aún requerirán que los qubits se manipulen individualmente. Por ejemplo, si los cambios en el campo de microondas afectan a todos los qubits de manera similar, entonces no habría mucho para controlar qué información representa cada qubit de espín.
Los investigadores idearon y adoptaron el protocolo SMART para interactuar más fácilmente con los estados de qubit. A través de él, podrían manipular los qubits giratorios para balancearse hacia adelante y hacia atrás en lugar de girar en círculos. Como el péndulo de un reloj de pie, cada qubit se movió hacia adelante y hacia atrás. Al interactuar con la oscilación de cada qubit a través de un campo eléctrico, los qubits quedaron fuera de resonancia mientras mantenían su ritmo, lo que permitió a los investigadores hacer que se balancearan en diferentes tempos en comparación con sus vecinos (uno «subiendo» mientras que el otro «bajaba»). ”).
“Piense en ello como dos niños en un columpio que van hacia adelante y hacia atrás 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”.
Los esfuerzos de los investigadores de la UNSW han demostrado que los grupos de qubits se pueden controlar a través de una única fuente magnética basada en microondas. Por el contrario, la aplicación de un campo magnético controlado electrónicamente puede controlar mejor los qubits individuales. Según los investigadores, el protocolo SMART aprovecha un camino potencial para las computadoras cuánticas a gran escala.
“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. (se abre en una pestaña nueva)uno de los investigadores principales del equipo.