Por Troy Oakes
Investigadores australianos demostraron que la computación cuántica casi libre de errores es posible, allanando el camino para construir dispositivos cuánticos basados en silicio compatibles con la tecnología actual de fabricación de semiconductores.
El profesor Andrea Morello de UNSW, quien dirigió el trabajo con socios en los Estados Unidos, Japón, Egipto y en UTS y la Universidad de Melbourne, dijo:
«La publicación de hoy muestra que nuestras operaciones estuvieron 99 por ciento libres de errores.
Cuando los errores son tan raros, es posible detectarlos y corregirlos cuando ocurren. Esto demuestra que es posible construir computadoras cuánticas que tengan suficiente escala y suficiente potencia para manejar una computación significativa».
El objetivo del equipo es construir lo que se llama una «computadora cuántica universal» que no será específica para ninguna aplicación.
Dijo el profesor Morello:
«Esta investigación es un hito importante en el viaje que nos llevará allí»
A continuación te presentamos un video sobre la operación cuántica:
La computación cuántica en silicio alcanza el umbral del 99 por ciento
El artículo del profesor Morello es uno de los tres publicados en Nature que confirman de forma independiente que la computación cuántica robusta y confiable en silicio es ahora una realidad.
El avance aparece en la portada de la revista, los tres articulos publicados en Nature demuestran lo siguiente:
- El equipo de Morello alcanzó fidelidades de operación de un qubit de hasta el 99,95 %, y una fidelidad de dos qubits del 99,37 % con un sistema de tres qubits que comprende un electrón y dos átomos de fósforo, introducidos en el silicio a través de la implantación de iones.
- Un equipo de Delft en los Países Bajos dirigido por Lieven Vandersypen logró un 99,87% de fidelidades de un qubit y un 99,65 por ciento de dos qubits utilizando espines de electrones en puntos cuánticos formados en una pila de silicio y aleación de silicio-germanio (Si / SiGe).
- Un equipo de investigación RIKEN en Japón dirigido por Seigo Tarucha logró de manera similar un 99,84 % de fidelidades de un qubit y un 99,51 por ciento de dos qubits en un sistema de dos electrones utilizando puntos cuánticos Si/SiGe.
Los equipos de UNSW y Delft certificaron el rendimiento de sus procesadores cuánticos utilizando un método sofisticado llamado tomografía de conjunto de puertas, desarrollado en los Laboratorios Nacionales Sandia en los Estados Unidos y puesto a disposición de la comunidad de investigación.
El profesor Morello había demostrado previamente que podía preservar la información cuántica en silicio durante 35 segundos, debido al aislamiento extremo de los espines nucleares de su entorno.
El Prof. Morello dijo:
«En el mundo cuántico, 35 segundos es una eternidad. Para dar una comparación, en las famosas computadoras cuánticas superconductoras de Google e IBM la vida útil es de aproximadamente cien microsegundos, casi un millón de veces más corta».
Pero la desventaja era que aislar los qubits hacía aparentemente imposible que interactuaran entre sí, según fuera necesario para realizar cálculos reales.
Los espines nucleares aprenden a interactuar con precisión
Este nuevo artículo describe cómo su equipo superó este problema mediante el uso de un electrón que abarca dos núcleos de átomos de fósforo.
Mateusz Mądzik, uno de los principales autores experimentales, dijo:
«Si tienes dos núcleos que están conectados al mismo electrón, puedes hacer que hagan una operación cuántica. Si bien no opera el electrón, esos núcleos almacenan de forma segura su información cuántica.
Pero ahora tienes la opción de hacer que hablen entre sí a través del electrón, para realizar operaciones cuánticas universales que se pueden adaptar a cualquier problema computacional».
Por su parte, el Dr. Serwan Asaad, otro autor que encabeza el experimento, dijo:
«Esta es realmente una tecnología de desbloqueo. Los espines nucleares son el procesador cuántico central. Si los entrelazas con el electrón, entonces el electrón puede ser movido a otro lugar y enredado con otros núcleos de qubits más lejos, abriendo el camino para hacer grandes matrices de qubits capaces de cálculos robustos y útiles».
El profesor David Jamieson, líder de investigación de la Universidad de Melbourne, dice:
«Los átomos de fósforo se introdujeron en el chip de silicio utilizando la implantación de iones, el mismo método utilizado en todos los chips de computadora de silicio existentes.
Esto garantiza que nuestro avance cuántico sea compatible con la industria de semiconductores en general»
Algo a tener en cuenta es que todas las computadoras existentes implementan alguna forma de corrección de errores y redundancia de datos, pero las leyes de la física cuántica plantean severas restricciones sobre cómo se lleva a cabo la corrección en una computadora cuántica.
El Prof. Morello explica:
«Por lo general, se necesitan tasas de error por debajo del 1 por ciento, para aplicar protocolos de corrección de errores cuánticos.
Habiendo logrado este objetivo, podemos comenzar a diseñar procesadores cuánticos de silicio que se amplíen y operen de manera confiable para cálculos útiles».
La colaboración global es clave para la triáda de hoy
Los qubits de espín semiconductores en silicio están bien posicionados para convertirse en la plataforma de elección para computadoras cuánticas confiables. Son lo suficientemente estables como para contener información cuántica durante largos períodos y se pueden ampliar utilizando técnicas familiares de la tecnología avanzada de fabricación de semiconductores existente.
Dijo el profesor Morello:
«Hasta ahora, sin embargo, el desafío ha sido realizar operaciones de lógica cuántica con una precisión suficientemente alta.
Cada uno de los tres artículos publicados hoy muestra cómo este desafío puede superarse a tal grado que los errores se pueden corregir más rápido de lo que se producen.
Si bien los tres documentos reportan resultados independientes, ilustran los beneficios que surgen de la investigación académica libre y la libre circulación de ideas, personas y materiales.
Por ejemplo, el material de silicio y silicio-germanio utilizado por los grupos Delft y RIKEN se cultivó en Delft y se compartió entre los dos grupos.
El material de silicio purificado isotópicamente utilizado por el grupo UNSW fue proporcionado por el profesor Kohei Itoh, de la Universidad de Keio en Japón.
El método de tomografía de conjunto de puertas (GST), que fue clave para cuantificar y mejorar las fidelidades de las puertas cuánticas en los documentos de UNSW y Delft, se desarrolló en los Laboratorios Nacionales Sandia en los Estados Unidos y se puso a disposición del público.
El equipo de Sandia trabajó directamente con el grupo de la UNSW para desarrollar métodos específicos para su sistema de espín nuclear, pero el grupo de Delft también pudo adoptarlo de forma independiente para su investigación.
También hubo un intercambio significativo de ideas a través del movimiento de personas entre los diferentes equipos.
- El Dr. Mateusz Mądzik, autor del artículo de la UNSW, es ahora investigador postdoctoral en el equipo de Delft.
- El Dr. Serwan Asaad, autor del artículo de la UNSW, fue anteriormente estudiante en Delft.
- El Prof. Lieven Vandersypen, líder del equipo de Delft, pasó una licencia sabática de cinco meses en UNSW en 2016, organizada por la Prof. Andrea Morello.
- El líder del equipo de crecimiento de materiales, el Dr. Giordano Scappucci, es un ex investigador de la UNSW.
El documento dirigido por UNSW es el resultado de una gran colaboración, que involucra a investigadores de la propia UNSW, la Universidad de Melbourne (para la implantación de iones), la Universidad de Tecnología de Sydney (para la aplicación inicial del método GST), los Laboratorios Nacionales Sandia (Invención y refinamiento del método GST) y la Universidad de Keio (suministro del material de silicio purificado isotópicamente).
Proporcionado por la Universidad de Nueva Gales del Sur.
