Fotografía del chip cuántico que alberga el conjunto de barras transversales de 16 puntos cuánticos, perfectamente integrado en un patrón de tablero de ajedrez. Cada punto cuántico, como un peón en un tablero de ajedrez, es identificable y controlable de forma única mediante un sistema de coordenadas de letras y números. Crédito de la foto: Marieke de Lorijn para QuTech. Crédito: Marieke de Lorijn para QuTech
Un nuevo enfoque para procesar puntos cuánticos ofrece la posibilidad de aumentar el número de qubits en sistemas cuánticos y representa un avance importante para computación cuántica.
Los investigadores han desarrollado una manera de procesar muchos puntos cuánticos con sólo unas pocas líneas de control utilizando un método similar al de un tablero de ajedrez. Esto permitió el funcionamiento del sistema de puntos cuánticos con puerta definida más grande jamás creado. Su resultado constituye un paso importante en el desarrollo de sistemas cuánticos escalables para la tecnología cuántica práctica.
Los puntos cuánticos se pueden utilizar para contener qubits, los componentes fundamentales de una computadora cuántica. Actualmente, cada qubit requiere su propia línea de dirección y una electrónica de control dedicada. Esto es muy poco práctico y contrasta marcadamente con la tecnología informática actual, donde miles de millones de transistores funcionan con sólo unos pocos miles de líneas.
Dirección como un tablero de ajedrez.
Investigadores de QuTech, una colaboración entre la Universidad Tecnológica de Delft (TU Delft) y TNO, han desarrollado un método similar para procesar puntos cuánticos. Así como la ubicación de las piezas de ajedrez se determina mediante una combinación de letras (A a H) y números (1 a 8), sus puntos cuánticos se pueden identificar mediante una combinación de líneas horizontales y verticales. Cualquier punto de un tablero de ajedrez se puede definir y abordar mediante una combinación específica de letra y número. Su enfoque lleva el estado del arte al siguiente nivel y permite el funcionamiento de un sistema de 16 puntos cuánticos en una matriz de 4×4.
El primer autor, Francesco Borsoi, explica: “Esta nueva forma de abordar los puntos cuánticos es ventajosa para ampliar a múltiples qubits. Si un solo qubit se controla y lee mediante un solo cable, millones de qubits requerirán millones de líneas de control. Este enfoque no escala muy bien. Sin embargo, si los qubits pudieran controlarse utilizando nuestro sistema similar a un tablero de ajedrez, millones de qubits podrían procesarse utilizando «sólo» miles de líneas, que es una proporción muy similar a la de los chips de computadora. Esta reducción del número de líneas permite aumentar el número de qubits y representa un avance importante para los ordenadores cuánticos, que finalmente necesitarán millones de qubits.
Mejorar cantidad y calidad
Las computadoras cuánticas no sólo requerirán millones de qubits, sino que la calidad de los qubits también es extremadamente importante. El último autor e investigador principal Menno Veldhorst: “Recientemente, demostramos que este tipo de qubits se pueden operar con una fidelidad del 99,992%. Este es el más alto de todos los sistemas de puntos cuánticos y significa un error promedio de menos de 1 por 10.000 operaciones. Estos avances han sido posibles gracias al desarrollo de métodos de control sofisticados y al uso de germanio como material huésped, que tiene muchas propiedades favorables para la operación cuántica.
Primera aplicación en simulación cuántica
Dado que la computación cuántica se encuentra en una etapa temprana de desarrollo, es pertinente considerar el camino más rápido hacia la ventaja cuántica práctica. En otras palabras: ¿cuándo será “mejor” una computadora cuántica que una supercomputadora convencional? Una ventaja obvia puede ser la simulación de la física cuántica, porque la interacción de los puntos cuánticos se basa en los principios de la mecánica cuántica. Resulta que los sistemas de puntos cuánticos pueden resultar muy eficaces para la simulación cuántica.
Veldhorst: “En otra publicación reciente, mostramos que se puede utilizar una serie de puntos cuánticos de germanio para la simulación cuántica. Este trabajo es la primera simulación cuántica coherente que utiliza materiales de fabricación de semiconductores estándar. Veldhorst: «Podemos realizar simulaciones rudimentarias de enlaces de valencia resonantes». Aunque este experimento se basó únicamente en un dispositivo pequeño, ejecutar tales simulaciones en un sistema grande podría responder preguntas de física de larga data.
Trabajo futuro
Veldhorst concluye: “Es emocionante ver que hemos dado varios pasos para pasar a sistemas más grandes, mejorar el rendimiento y obtener oportunidades en el campo de la computación y las simulaciones cuánticas. Queda abierta la cuestión de qué tan grandes serán estos circuitos de tablero de ajedrez y, en caso de que exista un límite, si podremos interconectar un gran número de ellos mediante enlaces cuánticos para construir circuitos aún más grandes.
Referencia: “Control compartido de una matriz de barras transversales de puntos cuánticos de 16 semiconductores” por Francesco Borsoi, Nico W. Hendrickx, Valentin John, Marcel Meyer, Sayr Motz, Floor van Riggelen, Amir Sammak, Sander L. de Snoo, Giordano Scappucci y Menno Veldhorst, 28 de agosto de 2023, Nanotecnología de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41565-023-01491-3
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