Importante avance hacia el ordenador cuántico

Uno de los obstáculos para el progreso en la búsqueda de una computadora cuántica que funcione ha sido que los dispositivos de trabajo que se incluyen en una computadora cuántica y que realizan los verdaderos cálculos, los qubits, han sido realizados hasta ahora por universidades y en pequeñas cantidades.

Pero en los últimos años, una colaboración paneuropea, en asociación con la compañía microelectrónica CEA-Leti, ha estado explorando los transistores normales -que están presentes en miles de millones en todos nuestros teléfonos móviles- para su uso como qubits.

La empresa francesa Leti fabrica obleas gigantes llenas de dispositivos y, tras realizar mediciones, los investigadores del Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague han descubierto que estos dispositivos de producción industrial son adecuados como plataforma de qubits capaz de pasar a la segunda dimensión, un paso importante para un ordenador cuántico funcional. El resultado se publicó en la revista Nature Communications.

Una de las características clave de los dispositivos es el conjunto bidimensional de puntos cuánticos. O más precisamente, una red de dos por dos de puntos cuánticos. "Lo que hemos demostrado es que podemos realizar un control de un solo electrón en cada uno de estos puntos cuánticos. Esto es muy importante para el desarrollo de un qubit, porque una de las posibles formas de hacer qubits es usar el espín de un solo electrón. Así que alcanzar este objetivo de controlar los electrones individuales y hacerlo en un conjunto 2D de puntos cuánticos era muy importante para nosotros", dice Fabio Ansaloni, antiguo estudiante de doctorado, ahora postdoctorado en el centro de Dispositivos Cuánticos, NBI.

El uso del espín de electrones ha demostrado ser ventajoso para la implementación de qubits. De hecho, su naturaleza "silenciosa" hace que interactúen débilmente con el ambiente ruidoso, un requisito importante para obtener qubits de alto rendimiento.

a) Imagen electrónica de barrido de uno de los dispositivos de puntos cuánticos fabricados de forma industrial. Se pueden formar cuatro puntos cuánticos en el silicio (gris oscuro), utilizando cuatro cables de control independientes (gris claro). Estos cables son los mandos de control que dan pie a las llamadas puertas cuánticas. b) Esquema del dispositivo de matriz bidimensional. Cada Qubit (círculo rojo) puede interactuar con su vecino más cercano en la red bidimensional, y sortear un Qubit que falle por una u otra razón. Esta configuración es lo que significa "segunda dimensión". (Foto: Fabio Ansaloni)

La extensión de los procesadores de las computadoras cuánticas a la segunda dimensión ha demostrado ser esencial para una implementación más eficiente de las rutinas de corrección de errores cuánticos. La corrección de errores cuánticos permitirá a los futuros ordenadores cuánticos ser tolerantes a los fallos de qubits individuales durante los cálculos.

La profesora adjunta del Centro de Dispositivos Cuánticos, NBI, Anasua Chatterjee, añade: "La idea original era hacer un conjunto de qubits de espín, llegar a los electrones individuales y ser capaces de controlarlos y moverlos. En ese sentido es realmente genial que Leti haya podido entregar las muestras que hemos utilizado, lo que a su vez hizo posible que alcanzáramos este resultado. El consorcio del proyecto paneuropeo y la generosa financiación de la UE tienen mucho mérito, ayudándonos a pasar lentamente del nivel de un solo punto cuántico con un solo electrón a tener dos electrones, y ahora a pasar a los conjuntos bidimensionales. Los conjuntos bidimensionales es un objetivo muy grande, porque está empezando a parecer algo que es absolutamente necesario para construir un ordenador cuántico".

El desarrollo ha sido gradual. Explican los investigadores: "En primer lugar, la producción de los dispositivos en una fábrica industrial es una necesidad. La escalabilidad de un proceso industrial moderno es esencial cuando empezamos a hacer conjuntos más grandes, por ejemplo para pequeños simuladores cuánticos. En segundo lugar, cuando se hace un ordenador cuántico, se necesita una matriz en dos dimensiones, y se necesita una forma de conectar el mundo exterior a cada qubit. Si tienes 4-5 conexiones para cada qubit, rápidamente terminas con un número irreal de cables que salen de la instalación de baja temperatura. Pero lo que hemos logrado mostrar es que podemos tener una puerta por electrón, y que puedes leer y controlar con la misma puerta. Y por último, usando estas herramientas fuimos capaces de mover e intercambiar electrones individuales de forma controlada alrededor del conjunto, un desafío en sí mismo".

El control de los errores que se producen en los dispositivos es un capítulo en sí mismo. Los ordenadores que usamos hoy en día producen muchos errores, pero se corrigen a través de lo que se llama el código de repetición. En un ordenador convencional, se puede tener información en un 0 o un 1. Para asegurarse de que el resultado de un cálculo es correcto, el ordenador repite el cálculo y si un transistor comete un error, se corrige por mayoría simple. Si la mayoría de los cálculos realizados en otros transistores apuntan a 1 y no a 0, entonces se elige 1 como resultado. Esto no es posible en un ordenador cuántico ya que no se puede hacer una copia exacta de un qubit, por lo que la corrección del error cuántico funciona de otra manera: los qubits físicos de última generación no tienen todavía una baja tasa de error, pero si se combinan suficientes de ellos en la matriz 2D, pueden mantenerse controlados, por así decirlo. Esta es otra ventaja de la matriz 2D ahora realizada.

El resultado obtenido en el Instituto Niels Bohr muestra que ahora es posible controlar electrones individuales, y realizar el experimento en ausencia de un campo magnético. Así que el siguiente paso será buscar espines - firmas de espines - en presencia de un campo magnético. Esto será esencial para implementar puertas de uno y dos qubits entre los qubits simples de la matriz. La teoría ha demostrado que un puñado de puertas de uno y dos qubits, llamadas conjunto completo de puertas cuánticas, son suficientes para permitir el cálculo cuántico universal. (Fuente: NCYT Amazings)