Un equipo de investigadores de la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW) en Sídney logró un gran avance en los tiempos de coherencia de espín de qubits (se abre en una pestaña nueva). La investigación se basó en el trabajo anterior del equipo sobre los llamados qubits «vestidos», qubits constantemente bajo la influencia de un campo electromagnético que los protege de la interferencia. Además, los investigadores aprovecharon un protocolo de nuevo diseño, SMART, (se abre en una pestaña nueva) que aprovecha los tiempos de coherencia aumentados para permitir que los qubits individuales sean persuadidos de manera confiable para que realicen los cálculos necesarios.
Las mejoras permitieron a los investigadores registrar tiempos de coherencia de hasta dos milisegundos, más de cien veces más que los métodos de control similares en el pasado, pero todavía muy lejos de la cantidad de tiempo que tardan los párpados en parpadear.
Hay varias formas de aumentar la potencia informática disponible para un sistema cuántico. Aumentar el número de qubits, que pueden considerarse similares a los transistores clásicos, es uno de ellos. Además de aumentar la cantidad de qubits direccionables en un sistema determinado, también importa si los resultados que proporcionan esos qubits son correctos (para lo cual se están desarrollando varias implementaciones de corrección de errores). Otra forma de mejorar el rendimiento es aumentar la cantidad de veces que los qubits pueden contener su información antes de la decoherencia, momento en el que el estado de los qubits colapsa, lo que lleva a la pérdida de toda la información que contienen.
En el caso de los qubits de espín, cada vez que el electrón deja de girar, es la sentencia de muerte para el estado de los qubits. Sra. Ingvild Hansen, que se encargó del trabajo experimental, se apresuró a señalar la importancia de los tiempos de rotación prolongados de los qubits. Se explicó que “(…) teóricamente hemos demostrado que podemos mejorar el tiempo de coherencia rotando continuamente los qubits. Si te imaginas a un artista de circo haciendo girar los címbalos mientras todavía están girando, la actuación puede continuar. Asimismo, si manejamos continuamente los qubits, estos pueden retener información por más tiempo. Mostramos que estos qubits ‘vestidos’ tenían tiempos de coherencia de más de 230 microsegundos. [230 millionths of a second].”
«Más tiempo de coherencia significa que tiene más tiempo para almacenar su información cuántica, que es exactamente lo que necesita cuando realiza operaciones cuánticas», dijo Ph.D. estudiante Amanda Seedhouse, cuyo trabajo en computación cuántica teórica contribuyó al logro. “El tiempo de coherencia básicamente te dice cuánto tiempo puedes hacer todas las operaciones en cualquier algoritmo o secuencia que quieras hacer antes de perder toda la información en tus qubits”, continuó Amanda.
El protocolo SMART (Sinusoidally Modulated, Always Rotating and Tailored) de los investigadores tiene como objetivo mejorar los tiempos de coherencia al reducir la interferencia introducida en un entorno qubit, al tiempo que permite un control detallado de cada qubit.
Una forma de interactuar con los qubits de espín de silicio es someterlos a campos de microondas, pero esto ha demostrado ser un método de imposición: tradicionalmente se ha necesitado un emisor de microondas para controlar cada uno de los qubits de trabajo. Sin embargo, mantener tantos campos magnéticos basados en microondas que trabajan en el ámbito cuántico, junto con el consumo de energía a escala y el aumento de la disipación térmica de la enorme cantidad de antenas, tiende a aumentar el ruido ambiental. Y un mayor ruido ambiental aumenta las posibilidades de que se produzca una decoherencia de qubits. Además, los intentos de los científicos por aumentar el control sobre los estados del qubit fueron en contra de los tiempos de coherencia.
Todo esto sería prohibitivo frente a los requisitos de la computación cuántica a gran escala, que debe requerir millones de qubits trabajando armoniosamente hacia un objetivo computacional final.
Usando un resonador dieléctrico, los investigadores demostraron que la totalidad del campo qubit se puede controlar usando una sola antena (se abre en una pestaña nueva). La antena, que debe manejar millones de qubits simultáneamente, funciona manteniendo el giro de los electrones, la propiedad cuántica de la que los qubits de silicio obtienen parte de su encanto. Otro elemento es que los qubits de silicio podrían eventualmente aprovechar la experiencia de décadas de los fabricantes de silicio para obtener el máximo rendimiento y los mayores rendimientos de fabricación de este material.
Pero si bien es esencial mantener los estados de rotación de todos los campos de cúbits (se abre en una nueva pestaña) (para que no se desenrollen), los cálculos precisos aún requerirán que los cúbits se manipulen individualmente. Por ejemplo, si los cambios en el campo de microondas afectan a todos los qubits de la misma manera, no habría mucho para controlar qué información representa cada qubit de espín.
Los investigadores crearon y adoptaron el protocolo SMART para interactuar más fácilmente con los estados de qubit. A través de él, podían manipular los qubits giratorios para que se balancearan hacia adelante y hacia atrás en lugar de girar en círculos. Al igual que el péndulo de un reloj de pie, cada qubit está diseñado para moverse hacia adelante y hacia atrás. Al interactuar con el equilibrio de cada qubit a través de un campo eléctrico, los qubits quedaron fuera de resonancia mientras mantenían su ritmo, lo que permitió a los investigadores hacerlos oscilar en diferentes momentos en comparación con sus vecinos (uno «subiendo» mientras el otro «bajando»). abajo «).
“Piense en ello como dos niños en un columpio que van y vienen sincronizados”, dice Seedhouse. “Si le damos un empujón a uno de ellos, podemos hacer que lleguen al final de su arco en extremos opuestos, por lo que uno puede ser 0 cuando el otro ahora es 1”.
Los esfuerzos de los investigadores de la UNSW han demostrado que los grupos de qubits se pueden controlar a través de una única fuente magnética basada en microondas. Por el contrario, la aplicación de un campo magnético controlado electrónicamente puede controlar mejor los qubits individuales. Según los investigadores, el protocolo SMART aprovecha un camino potencial hacia las computadoras cuánticas a gran escala.
“Mostramos una forma simple y elegante de controlar todos los qubits a la vez que también brinda un mejor rendimiento”, dice el Dr. Henry Yang (se abre en una pestaña nueva), uno de los investigadores principales del equipo.
