Nueva arquitectura de computación cuántica logra qubit de carga de electrón con tiempo de coherencia de 0.1 milisegundos.
26 de octubre de 2023
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por Joseph E. Harmon, Argonne National Laboratory
La coherencia se erige como un pilar de la comunicación efectiva, ya sea en la escritura, el habla o el procesamiento de información. Este principio se extiende a los bits cuánticos, o cúbits, los bloques de construcción de la computación cuántica. Una computadora cuántica podría enfrentar desafíos previamente insuperables en la predicción del clima, el diseño de materiales, el descubrimiento de medicamentos y más.
Un equipo liderado por el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha alcanzado un hito importante hacia la futura computación cuántica. Han extendido el tiempo de coherencia de su novedoso tipo de cúbito a impresionantes 0.1 milisegundos, casi mil veces mejor que el récord anterior.
La investigación fue publicada en Nature Physics.
"En lugar de 10 a 100 operaciones durante los tiempos de coherencia de los cúbits de carga de electrones convencionales, nuestros cúbits pueden realizar 10,000 con una precisión y velocidad muy altas", dijo Dafei Jin, profesor en la Universidad de Notre Dame con una cita conjunta en el Centro de Materiales a Escala Nanométrica de Argonne.
En la vida cotidiana, 0.1 milisegundos son tan fugaces como un parpadeo de ojos. Sin embargo, en el mundo cuántico, representa una ventana lo suficientemente larga como para que un cúbito realice miles de operaciones.
A diferencia de los bits clásicos, los cúbits parecen poder existir en ambos estados, 0 y 1. Para cualquier cúbito funcional, es fundamental mantener este estado mixto durante un tiempo de coherencia suficientemente largo. El desafío radica en proteger el cúbito contra el constante bombardeo de ruido disruptivo del entorno circundante.
Los cúbits del equipo codifican información cuántica en los estados de movimiento (carga) de los electrones. Por eso se llaman cúbits de carga.
"Entre los diversos cúbits existentes, los cúbits de carga de electrones son especialmente atractivos debido a su simplicidad en fabricación y operación, así como a su compatibilidad con las infraestructuras existentes para las computadoras clásicas", dijo Jin, el investigador principal del proyecto. "Esta simplicidad debería traducirse en un bajo costo para construir y ejecutar computadoras cuánticas a gran escala".
Jin es un ex científico del Centro de Materiales a Escala Nanométrica (CNM), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en Argonne. Mientras estuvo allí, lideró el descubrimiento de su nuevo tipo de cúbito, reportado el año pasado.
El cúbito del equipo es un electrón único atrapado en una superficie de neón sólido y ultralimpio en un vacío. El neón es importante porque resiste las perturbaciones del entorno circundante. El neón es uno de los pocos elementos que no reaccionan con otros elementos. La plataforma de neón protege el cúbito de electrones y garantiza inherentemente un tiempo de coherencia prolongado.
"Gracias al pequeño tamaño de los electrones individuales en el neón sólido, los cúbits hechos con ellos son más compactos y prometedores para escalar a múltiples cúbits vinculados", dijo Xu Han, científico asistente en CNM con una cita conjunta en la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago. "Estos atributos, junto con el tiempo de coherencia, hacen que nuestro cúbito de electrones sea excepcionalmente convincente".
Después de una optimización experimental continua, el equipo no solo mejoró la calidad de la superficie de neón, sino que también redujo significativamente las señales disruptivas. Como se informa en Nature Physics, su trabajo dio sus frutos con un tiempo de coherencia de 0.1 milisegundos. Eso es aproximadamente un aumento de mil veces desde los 0.1 microsegundos iniciales.
"La larga vida útil de nuestro cúbito de electrones nos permite controlar y leer los estados de un solo cúbito con una fidelidad muy alta", dijo Xinhao Li, un investigador postdoctoral en Argonne y coautor principal del artículo. Este tiempo está muy por encima de los requisitos para la computación cuántica.
Otro atributo importante de un cúbito es su escalabilidad para conectarse con muchos otros cúbits. El equipo logró un hito significativo al mostrar que los cúbits de dos electrones pueden acoplarse al mismo circuito superconductor de manera que la información pueda transferirse entre ellos a través del circuito. Esto marca un paso fundamental hacia el entrelazamiento de dos cúbits, un aspecto crítico de la computación cuántica.
El equipo aún no ha optimizado completamente su cúbito de electrones y continuará trabajando para extender aún más el tiempo de coherencia, así como para entrelazar dos o más cúbits.
In addition to Jin, Han and Li, Argonne contributors include postdocs Xianjing Zhou and Qianfan Chen. Other contributors include co-corresponding author David I. Schuster, a former physics professor at the University of Chicago now at Stanford University, and Xufeng Zhang, a former staff scientist at CNM and now a professor at Northeastern University. Also listed as authors are Gerwin Koolstra, Ge Yang, Brennan Dizdar, Yizhong Huang and Christopher S. Wang.
The collaborating institutions include Lawrence Berkeley National Laboratory, Massachusetts Institute of Technology, Northeastern University, Stanford University, the University of Chicago and the University of Notre Dame.
Journal information: Nature Physics
Provided by Argonne National Laboratory
