Qubits Liberados: El "Toggle Switch" del NIST y el Futuro de la Computación Cuántica

Los científicos del NIST han introducido un dispositivo de "interruptor basculante" para computadoras cuánticas que ajusta las conexiones entre qubits y un resonador de lectura. El dispositivo aborda desafíos como el ruido y las limitaciones de reprogramación, allanando el camino para una computación cuántica más flexible y precisa.

El nuevo dispositivo podría llevar a procesadores cuánticos más versátiles con salidas más claras.

¿De qué sirve una computadora potente si no puedes leer su salida? ¿O reprogramarla fácilmente para hacer trabajos diferentes? Las personas que diseñan computadoras cuánticas se enfrentan a estos desafíos, y un nuevo dispositivo puede hacer que sean más fáciles de resolver.

Presentado por un equipo de científicos del Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST), el dispositivo incluye dos bits cuánticos superconductores, o qubits, que son el equivalente cuántico de los bits lógicos en un chip de procesamiento de una computadora clásica. El corazón de esta nueva estrategia se basa en un dispositivo de "interruptor basculante" que conecta los qubits a un circuito llamado "resonador de lectura" que puede leer la salida de los cálculos de los qubits.

Este interruptor basculante se puede cambiar a diferentes estados para ajustar la fuerza de las conexiones entre los qubits y el resonador de lectura. Cuando se desactiva, los tres elementos se aíslan entre sí. Cuando se activa el interruptor para conectar los dos qubits, pueden interactuar y realizar cálculos. Una vez que se completan los cálculos, el interruptor basculante puede conectar cualquiera de los qubits y el resonador de lectura para recuperar los resultados.

Tener un interruptor basculante programable ayuda a reducir el ruido, un problema común en los circuitos de computadoras cuánticas que dificulta que los qubits realicen cálculos y muestren sus resultados claramente.

Esta foto muestra la región central de trabajo del dispositivo. En la sección inferior, los tres rectángulos grandes (azul claro) representan los dos bits cuánticos, o qubits, a la derecha y a la izquierda y el resonador en el centro. En la sección superior ampliada, al pasar microondas a través de la antena (rectángulo azul oscuro grande en la parte inferior) se induce un campo magnético en el bucle SQUID (cuadrado blanco más pequeño en el centro, cuyos lados miden aproximadamente 20 micrómetros). El campo magnético activa el interruptor basculante. La frecuencia y la magnitud de las microondas determinan la posición del interruptor y la fuerza de la conexión entre los qubits y el resonador. Crédito: R. Simmonds / NIST

"El objetivo es mantener a los qubits contentos para que puedan calcular sin distracciones, al tiempo que podemos leerlos cuando queramos", dijo Ray Simmonds, físico del NIST y uno de los autores del artículo. "Esta arquitectura del dispositivo ayuda a proteger a los qubits y promete mejorar nuestra capacidad para hacer las mediciones de alta fidelidad necesarias para construir procesadores de información cuántica a partir de qubits".

El equipo, que también incluye científicos de la Universidad de Massachusetts Lowell, la Universidad de Colorado Boulder y Raytheon BBN Technologies, describe sus resultados en un artículo publicado recientemente en la revista Nature Physics.

Las computadoras cuánticas, que aún están en una etapa incipiente de desarrollo, aprovecharían las propiedades extrañas de la mecánica cuántica para realizar trabajos que incluso nuestras computadoras clásicas más potentes encuentran inabordables, como ayudar en el desarrollo de nuevos medicamentos mediante la realización de simulaciones sofisticadas de interacciones químicas.

Sin embargo, los diseñadores de computadoras cuánticas aún enfrentan muchos problemas. Uno de ellos es que los circuitos cuánticos se ven afectados por ruido externo o incluso interno, que surge de los defectos en los materiales utilizados para fabricar las computadoras. Este ruido es esencialmente un comportamiento aleatorio que puede generar errores en los cálculos de los qubits.

Los qubits actuales son inherentemente ruidosos por sí mismos, pero eso 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 a 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 pueden hacer algunos trabajos relacionados, pero para que la computadora realice una mayor variedad de tareas, sería necesario intercambiar un diseño de procesador diferente con una organización o disposición de qubits diferente. (Imagina cambiar el chip de tu computadora portátil cada vez que necesites usar un software diferente, y luego considera que el chip debe mantenerse ligeramente por encima del cero absoluto, y entenderás por qué esto podría resultar incómodo.)

El interruptor basculante programable del equipo evita ambos problemas. Primero, evita que el ruido del circuito se filtre al sistema a través del resonador de lectura y evita que los qubits conversen entre sí cuando deben estar en silencio.

“This cuts down on a key source of noise in a quantum computer,” Simmonds said.

Second, the opening and closing of the switches between elements are controlled with a train of microwave pulses sent from a distance, rather than through a static architecture’s physical connections. Integrating more of these toggle switches could be the basis of a more easily programmable quantum computer. The microwave pulses can also set the order and sequence of logic operations, meaning a chip built with many of the team’s toggle switches could be instructed to perform any number of tasks.

“This makes the chip programmable,” Simmonds said. “Rather than having a completely fixed architecture on the chip, you can make changes via software.”

One final benefit is that the toggle switch can also turn on the measurement of both qubits at the same time. This ability to ask both qubits to reveal themselves as a couple is important for tracking down quantum computational errors.

The qubits in this demonstration, as well as the toggle switch and the readout circuit, were all made of superconducting components that conduct electricity without resistance and must be operated at very cold temperatures. The toggle switch itself is made from a superconducting quantum interference device, or “SQUID,” which is very sensitive to magnetic fields passing through its loop. Driving a microwave current through a nearby antenna loop can induce interactions between the qubits and the readout resonator when needed.

At this point, the team has only worked with two qubits and a single readout resonator, but Simmonds said they are preparing a design with three qubits and a readout resonator, and they have plans to add more qubits and resonators as well. Further research could offer insights into how to string many of these devices together, potentially offering a way to construct a powerful quantum computer with enough qubits to solve the kinds of problems that, for now, are insurmountable.