image: Artist's impression of the 'flip-flop' qubits exhibiting quantum entanglement. view more
Credit: Tony Melov/UNSW
Los ingenieros de la Universidad de Nueva Gales del Sur de Australia han inventado una nueva arquitectura radical para la computación cuántica, basada en nuevos 'qubits biestables', que promete hacer la fabricación a gran escala de chips cuánticos dramáticamente más económico - y más fácil - de lo que se pensaba posible.
El nuevo diseño de los chips, detallado en la revista Nature Communications, aloja un procesador cuántico de silicio que puede ampliarse sin la colocación precisa de átomos requeridos en otros planteamientos. Es importante destacar que permite que los bits cuánticos (o 'qubits') - la unidad básica de información en un ordenador cuántico - se ubiquen a cientos de nanómetros de distancia y aún permanezcan acoplados.
El diseño fue concebido por un equipo liderado por Andrea Morello, Director del Programa en el Centro de Excelencia en Computación Cuántica y Tecnología de la Comunicación (CQC2T) del Australian Research Council (ARC) con base en la UNSW, quien comentó que la fabricación del nuevo diseño debería estar fácilmente al alcance de la tecnología actual.
El autor principal Guilherme Tosi, Becario de Investigación del CQC2T, desarrolló el concepto pionero junto con Morello y los coautores Fahd Mohiyaddin, Vivien Schmitt y Stefanie Tenberg del CQC2T, con los colaboradores Rajib Rahman y Gerhard Klimeck de la Universidad Purdue en los Estados Unidos.
"Es un diseño brillante, y al igual que muchos saltos conceptuales similares, es sorprendente que nadie había pensado en ello antes", dijo Morello.
"Lo que Guilherme y el equipo han inventado es una nueva forma de definir un 'espín de qubit' o 'spin qubit' que utiliza tanto el electrón como el núcleo del átomo. Crucialmente, este nuevo qubit puede ser controlado utilizando señales eléctricas, en vez de las magnéticas. Las señales eléctricas son mucho más fáciles de distribuir y localizar dentro de un chip electrónico".
Tosi dijo que el diseño elude un desafío que se esperaba enfrentar en todos los qubits de espines de silicio a medida que los equipos empiecen a construir matrices de qubits cada vez mayores: la necesidad de espaciarlos a una distancia de tan solo 10-20 nanómetros o solo 50 átomos de separación.
"Si están demasiado cerca o demasiado separados, no se produce el 'entrelazamiento' entre los bits cuánticos (que es lo que hace que los ordenadores cuánticos sean tan especiales)", dijo Tosi.
Los investigadores de la UNSW ya lideran el mundo en la fabricación de qubits de espines a esta escala, dijo Morello. "Pero si queremos hacer una matriz de miles o millones de qubits juntos tan cerca, significa que todas las líneas de control, la electrónica de control y los dispositivos de lectura también deben fabricarse a esa escala nanométrica, y con esa frecuencia y esa densidad de los electrodos. Este nuevo concepto sugiere otro camino".
En el otro extremo del espectro están los circuitos superconductores - perseguidos por ejemplo por IBM y Google - y las trampas de iones. Estos sistemas son grandes y fáciles de fabricar, y actualmente están liderando el camino en el número de qubits que pueden ser operados. Sin embargo, debido a sus dimensiones mayores, en el largo plazo pueden enfrentar desafíos al intentar ensamblar y operar millones de qubits, como es requerido por los algoritmos cuánticos más útiles.
"Nuestro nuevo enfoque basado en el silicio se encuentra justo en el punto ideal", dijo Morello, profesor de ingeniería cuántica en la UNSW. "Es más fácil de fabricar que los dispositivos a escala atómica, pero todavía nos permite colocar un millón de qubits en un milímetro cuadrado".
En el qubit de un solo átomo utilizado por el equipo de Morello, en el que aplica el nuevo diseño de Tosi, un chip de silicio está cubierto con una capa de óxido de silicio aislante, sobre la cual descansa un patrón de electrodos metálicos que operan a temperaturas cercanas al cero absoluto y en la presencia de un campo magnético muy fuerte.
En el núcleo está un átomo de fósforo, del cual el equipo de Morello ha construido previamente dos qubits funcionales utilizando un electrón y el núcleo del átomo. Estos qubits, tomados individualmente, han demostrado tiempos de coherencia de récord mundial.
El avance conceptual de Tosi es la creación de un tipo totalmente nuevo de qubit, utilizando tanto el núcleo como el electrón. En este enfoque, se define un estado qubit (0) cuando el espín del electrón está hacia abajo y el núcleo está hacia arriba, mientras que el estado (1) es cuando el espín electrónico está hacia arriba y el espín nuclear está hacia abajo.
"Lo llamamos el qubit 'biestable'" dijo Tosi. "Para operar este qubit, necesitas alejar el electrón un poco del núcleo, utilizando los electrodos en la parte superior. Al hacerlo, también creas un dipolo eléctrico."
"Este es el punto crucial", añade Morello. "Estos dipolos eléctricos interactúan entre sí a distancias bastante grandes, una buena fracción de un micrómetro, o 1,000 nanómetros".
"Esto significa que ahora podemos colocar los qubits de un solo átomo mucho más lejos de lo que antes se creía posible", él sostuvo. "Así que existe mucho espacio para intercalar los clásicos componentes claves como las interconexiones, los electrodos de control y los dispositivos de lectura, al tiempo que conserva la naturaleza precisa de los átomos del bit cuántico".
Morello determinó el concepto de Tosi tan significativo como Bruce Kane en el seminal 1998, estudio de la naturaleza. Kane, entonces un investigador principal asociado en UNSW, formuló una nueva arquitectura que podría hacer realidad un ordenador cuántico basado en silicio - desencadenando la carrera de Australia para construir un ordenador cuántico.
"Al igual que el estudio de Kane, esta es una teoría, una propuesta - el qubit aún no ha sido construido", dijo Morello. "Tenemos algunos datos experimentales preliminares que sugieren que es totalmente factible, por lo que estamos trabajando para demostrarlo completamente. Pero creo que es tan visionario como el estudio original de Kane."
La construcción de un ordenador cuántico ha sido denominado como 'carrera espacial del siglo XXI' - un reto difícil y ambicioso con el potencial de ofrecer herramientas revolucionarias para abordar cálculos imposibles de otra manera, con una plétora de aplicaciones útiles en salud, defensa, finanzas, química y desarrollo de materiales, depuración de software, aeroespacial y transporte. Su velocidad y poder radican en el hecho de que los sistemas cuánticos pueden albergar múltiples 'superposiciones' de diferentes estados iniciales, y en el espeluznante 'entrelazamiento' que solo ocurre a nivel cuántico de las partículas fundamentales.
"Se necesitará de una buena ingeniería para llevar la computación cuántica a la realidad comercial, y el trabajo que vemos de este extraordinario equipo, pone a Australia en el asiento del conductor", dijo Mark Hoffman, Decano de Ingeniería de la UNSW. "Es un gran ejemplo de cómo la UNSW, al igual que muchas de las universidades de investigación más importantes del mundo, se encuentra actualmente en el corazón de un sofisticado sistema de conocimiento global que está moldeando nuestro futuro".
El equipo de la UNSW ha llegado a un acuerdo de 83 millones de dólares entre UNSW, el gigante de las telecomunicaciones Telstra, el Commonwealth Bank de Australia y los gobiernos de Australia y Nueva Gales del Sur para desarrollar, para 2022, un prototipo de silicio de un circuito cuántico integrado de 10 qubits - el primer paso en la construcción del primer ordenador cuántico de silicio del mundo.
En agosto, los socios fundaron Silicon Quantum Computing Pty Ltd, la primera empresa de computación cuántica de Australia, para avanzar en el desarrollo y la comercialización de las tecnologías únicas del equipo. El Gobierno de Nueva Gales del Sur prometió A$8.7 millones, la UNSW A$25 millones, el Commonwealth Bank A$14 millones, Telstra A$10 millones y el Gobierno Federal A$25 millones.
ANTECEDENTES DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA DE LA UNSW La Facultad de Ingeniería de la UNSW es la potencia de la investigación en ingeniería en Australia, compuesta por nueve escuelas, 32 centros de investigación y 10 Centros Cooperativos de Investigación de participantes o líderes. Está clasificado en las 50 mejores facultades de ingeniería del mundo y alberga a la cohorte más grande de estudiantes universitarios y postgrado de ingeniería tanto nacionales e internacionales en Australia. La UNSW en sí ocupa el puesto #1 en Australia para producir millonarios (# 33 globalmente) y ocupa el puesto #1 en Australia para graduados que crean tecnología innovadora.
ANTECEDENTES SOBRE CQC2T El Centro de Computación Cuántica y Tecnología de la Comunicación (CQC2T) es el equipo más grande del mundo trabajando para crear un ecosistema de computación cuántica universal. CQC2T lidera el mundo en la carrera para elaborar un ordenador cuántico a base de silicio y realiza investigaciones de clase mundial en computación cuántica óptica, comunicación cuántica, interconexiones cuánticas y otras tecnologías cuánticas. El centro tiene su sede en la UNSW y cuenta con más de 200 investigadores de nueve de las principales instituciones de investigación de Australia.
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Journal
Nature Communications