La computación cuántica prolifera: desde vacantes de diamante hasta autobuses de electrones, todos quieren un qubit

Si sigues las noticias de computación cuántica el tiempo suficiente, puede empezar a parecer que cualquier sistema cuántico que pueda alternar entre dos estados de energía bien separados puede usarse como qubit. Átomos, iones, fotones, electrones y dispositivos fabricados tienen sus defensores. Una de las cosas clave que atrae a los defensores es la capacidad de la tecnología para escalar. Necesitaremos muchos qubits de alta calidad para empezar a hacer cálculos complejos, y la capacidad de cualquier tecnología para llevarnos allí es tema de debate.

Así que, incluso mientras algunas tecnologías ya pueden soportar miles de qubits, algunos competidores todavía trabajan con un puñado de qubits; las empresas detrás de ellos están convencidas de que tienen el potencial de escalar de manera más efectiva.

Una de esas tecnologías involucra puntos cuánticos que contienen un solo electrón. Su ventaja es que podemos fabricarlos usando la misma tecnología que usamos para construir procesadores tradicionales, un enfoque que ha demostrado ser escalable. Esta semana vimos dos nuevos artículos que describen diferentes formas de usar puntos cuánticos, uno de los cuales fue lo suficientemente atractivo como para que IBM comprara la empresa que lo desarrolló. Por separado, otra empresa ha lanzado un procesador que muestra 100 electrones individuales retenidos en defectos de diamante, una tecnología que no era obvio que pudiera escalar.

La primera noticia proviene de una publicación en Nature de una empresa llamada HRL Laboratories, descendiente del programa de investigación lanzado por Howard Hughes. HRL está utilizando puntos cuánticos fabricados, una tecnología distinta de los puntos utilizados en pantallas, aunque se basa en algunos de los mismos principios físicos. Ambos enfoques utilizan una estructura que atrapa electrones en una región más pequeña que la longitud de onda del electrón. En pantallas, esto permite controlar la longitud de onda que emite el material.

Para los qubits, las trampas son mucho más pequeñas y sirven para mantener un solo electrón en su lugar. Críticamente, pueden fabricarse; con el cableado adecuado, las interacciones electromagnéticas pueden atrapar un solo electrón en una pequeña zona de silicio. Una vez atrapado, el espín del electrón, que puede ser hacia arriba, hacia abajo o una superposición de ambos, puede usarse como qubit. Si bien esta tecnología puede escalar fácilmente (somos muy buenos poniendo cableado en silicio a gran escala), los espines de los electrones son difíciles de mantener estables y típicamente se controlan mediante microondas, lo que requiere un sistema de control separado.

Pero "típicamente" no significa "siempre", y HRL describe una tecnología diferente. Requiere tres puntos cuánticos separados, cada uno con un electrón, con la electrónica circundante controlando cuánto pueden interactuar los espines de estos tres electrones. Eso es crítico porque, bajo ciertas condiciones, no dos electrones pueden tener el mismo espín. Esto explica por qué los orbitales atómicos se llenan como lo hacen, con cada nivel de energía conteniendo solo un par, uno con espín hacia arriba y el otro hacia abajo. Permitir que interactúen puede alterar sus espines.

Para hacer operaciones en este tipo de qubit, simplemente necesitas controlar qué electrones están interactuando y en qué medida. Eso se controla electrónicamente, permitiéndonos eliminar las microondas por completo. Todo se maneja mediante cableado, eliminando la necesidad de muchos cables de microondas que entran en el sistema de refrigeración que mantiene el hardware cerca del cero absoluto.

HRL dedica gran parte del artículo a describir su sistema de control, que se encuentra en un nivel intermedio de refrigeración y consiste en un procesador tradicional optimizado para operaciones a baja temperatura y bajo consumo, consumiendo menos de 3.5 vatios a pesar de estar fabricado en un proceso de 130 nm. Las instrucciones para operar los qubits se compilan en otro lugar, luego se cargan en el controlador, después de lo cual opera de forma autónoma. Las comunicaciones con el chip que contiene los qubits se manejan mediante un cable de cinta superconductor.

El sistema que describe HRL tenía 18 qubits, y la empresa ejecutó un código simple de corrección de errores, demostrando una tasa de error lógico de menos del 1 por ciento. Eso está muy por debajo de lo que se ha logrado con otras tecnologías, pero es una validación importante.