¿De qué sirve una computadora poderosa si no puede leer su salida? ¿O reprogramarlo fácilmente para hacer diferentes trabajos? Las personas que diseñan computadoras cuánticas enfrentan estos desafíos, y un nuevo dispositivo puede hacer que sean más fáciles de resolver.
El dispositivo, presentado por un equipo de científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), incluye dos bits cuánticos superconductores, o qubits, que son el análogo de una computadora cuántica a los bits lógicos en el chip de procesamiento de una computadora clásica. El corazón de esta nueva estrategia se basa en un dispositivo de «interruptor de palanca» que conecta los qubits a un circuito llamado «resonador de lectura» que puede leer la salida de los cálculos de los qubits.
Este interruptor de palanca se puede cambiar a diferentes estados para ajustar la fuerza de las conexiones entre los qubits y el resonador de lectura. Cuando está desactivado, los tres elementos están aislados entre sí. Cuando el interruptor se activa para conectar los dos qubits, pueden interactuar y realizar cálculos. Una vez que se completan los cálculos, el interruptor de palanca puede conectar cualquiera de los qubits y el resonador de lectura para recuperar los resultados.
Tener un interruptor de palanca programable contribuye en gran medida a reducir el ruido, un problema común en los circuitos de computadoras cuánticas que dificulta que los cúbits hagan cálculos y muestren sus resultados claramente.
«El objetivo es mantener contentos a los qubits para que puedan calcular sin distracciones, y al mismo tiempo poder leerlos cuando queramos», dijo Ray Simmonds, físico del NIST y uno de los autores del artículo. «Esta arquitectura de dispositivo ayuda a proteger los qubits y promete mejorar nuestra capacidad para realizar las mediciones de alta fidelidad necesarias para construir procesadores de información cuántica a partir de qubits».
El equipo, que también incluye a científicos de la Universidad de Massachusetts Lowell, la Universidad de Colorado Boulder y Raytheon BBN Technologies, describe sus resultados en un artículo publicado hoy en Física de la Naturaleza.
Las computadoras cuánticas, que aún se encuentran en una etapa incipiente de desarrollo, aprovecharían las extrañas propiedades de la mecánica cuántica para realizar trabajos que incluso nuestras computadoras clásicas más poderosas encuentran intratables, como ayudar en el desarrollo de nuevos medicamentos mediante la realización de simulaciones sofisticadas de interacciones químicas. .
Sin embargo, los diseñadores de computadoras cuánticas todavía enfrentan muchos problemas. Uno de ellos es que los circuitos cuánticos se ven afectados por ruido externo o incluso interno, que surge de defectos en los materiales utilizados para fabricar las computadoras. Este ruido es esencialmente un comportamiento aleatorio que puede crear errores en los cálculos de qubit.
Los qubits actuales son inherentemente ruidosos por sí mismos, pero ese no es el único problema. Muchos diseños de computadoras cuánticas tienen lo que se llama una arquitectura estática, donde cada qubit en el procesador está físicamente conectado a sus vecinos y a su resonador de lectura. El cableado fabricado que conecta los qubits entre sí y con su lectura puede exponerlos a aún más ruido.
Estas arquitecturas estáticas tienen otra desventaja: no se pueden reprogramar fácilmente. Los qubits de una arquitectura estática podrían hacer algunos trabajos relacionados, pero para que la computadora realice una gama más amplia de tareas, necesitaría cambiar un diseño de procesador diferente con una organización o diseño de qubit diferente. (Imagínese cambiar el chip en su computadora portátil cada vez que necesita usar una pieza de software diferente, y luego considere que el chip debe mantenerse una pizca por encima del cero absoluto, y entenderá por qué esto podría resultar inconveniente).
El interruptor de palanca programable del equipo evita estos dos problemas. En primer lugar, evita que el ruido del circuito entre en el sistema a través del resonador de lectura y evita que los qubits tengan una conversación entre sí cuando se supone que deben estar en silencio.
«Esto reduce una fuente clave de ruido en una computadora cuántica», dijo Simmonds.
En segundo lugar, la apertura y el cierre de los interruptores entre elementos se controlan con un tren de pulsos de microondas enviados a distancia, en lugar de a través de las conexiones físicas de una arquitectura estática. La integración de más de estos interruptores de palanca podría ser la base de una computadora cuántica programable más fácilmente. Los pulsos de microondas también pueden establecer el orden y la secuencia de las operaciones lógicas, lo que significa que un chip construido con muchos de los interruptores de palanca del equipo podría recibir instrucciones para realizar cualquier cantidad de tareas.
«Esto hace que el chip sea programable», dijo Simmonds. «En lugar de tener una arquitectura completamente fija en el chip, puede realizar cambios a través del software».
Un último beneficio es que el interruptor de palanca también puede activar la medición de ambos qubits al mismo tiempo. Esta capacidad de pedir a ambos qubits que se revelen como pareja es importante para rastrear errores computacionales cuánticos.
Los qubits de esta demostración, así como el interruptor de palanca y el circuito de lectura, estaban hechos de componentes superconductores que conducen la electricidad sin resistencia y deben funcionar a temperaturas muy bajas. El interruptor de palanca en sí está hecho de un dispositivo de interferencia cuántica superconductor, o «SQUID», que es muy sensible a los campos magnéticos que pasan a través de su bucle. Conducir una corriente de microondas a través de un bucle de antena cercano puede inducir interacciones entre los qubits y el resonador de lectura cuando sea necesario.
En este punto, el equipo solo ha trabajado con dos qubits y un solo resonador de lectura, pero Simmonds dijo que están preparando un diseño con tres qubits y un resonador de lectura, y que también tienen planes de agregar más qubits y resonadores. La investigación adicional podría ofrecer información sobre cómo unir muchos de estos dispositivos, ofreciendo potencialmente una forma de construir una poderosa computadora cuántica con suficientes qubits para resolver los tipos de problemas que, por ahora, son insuperables.
