Arquitectura de ordenador recreada en un dispositivo cuántico

Von Neumann-Oppenheimer © by Revolweb

Artículo publicado por Hamish Johnston el 1 de septiembre de 2011 en physicsworld.com

Físicos de California afirman ser los primeros en implementar una versión cuántica de la arquitectura “Von Neumann” que se encuentra en los ordenadores personales. Basándose en circuitos superconductores integrados en un solo chip, el nuevo dispositivo se ha utilizado para llevar a cabo dos importantes algoritmos de computación cuántica. La arquitectura Von Neumann convencional incluye una unidad de procesamiento central (CPU) unida a una memoria que contiene tanto datos como instrucciones.

Las computadoras cuánticas, que aprovechan los fenómenos puramente cuánticos tales como la superposición y el entrelazamiento, en principio deberían ser capaces de superar el rendimiento de los ordenadores clásicos en ciertas tareas. Sin embargo, la construcción de un ordenador cuántico práctico sigue siendo un reto, debido a que los estados cuánticos que emplean estos sistemas son difíciles de controlar y se destruyen fácilmente.

Al implementar la arquitectura Von Neumann usando circuitos superconductores cuánticos, Matteo Mariantoni y sus colegas de la Universidad de California en Santa Barbara, han dado un paso importante hacia un ordenador funcional. Mariantoni dijo a physicsworld.com que, hasta donde sabía, él y sus colegas son los primeros en crear una versión cuántica de la arquitectura.

Casando CPU y memoria

La CPU cuántica del equipo de investigación, o “quCPU”, se compone de dos superconductores “de bits cuánticos de fase” (qubits) conectados mediante un bus de datos superconductor resonador de microondas. Un qubit de fase es una sola unión Josephson, que consta de dos piezas de material superconductor separadas por una barrera aislante muy delgada. Los niveles lógicos – 0 y 1, por ejemplo – se definen por la diferencia de fase entre los electrodos de la unión.

Cada qubit está conectado a su propia memoria cuántica de acceso aleatorio (quRAM), que se compone de un resonador superconductor que almacena la información cuántica en forma de microondas atrapadas y un “registro de puesta a cero” – un sistema de dos niveles que limpia un qubit de información. La quRAM actúa de manera efectiva como una RAM común que preserva la naturaleza cuántica – tal como el entrelazamiento – de la información que almacena.

El bus y la quRAM operan a frecuencias fijas, mientras que la frecuencia de trabajo de un qubit cambia cuando se aplican “pulsos z” especiales. Cuando la frecuencia de un qubit encaja con la de la quRAM o el bus, la información cuántica puede intercambiarse entre los dos.

Operaciones cuánticas

Para realizar una operación, el equipo de Mariantoni comienza con los qubits “desafinados” respecto a los otros componentes. Se aplican entonces pulsos de microondas, que cargan en el sistema la información cuántica, antes de que se apliquen los pulsos z para el intercambio de información. Las operaciones cuánticas se realizan mediante la cuidadosa aplicación de secuencias específicas de pulsos.

En un experimento, el equipo realizó la operación de la “transformada de Fourier cuántica”, con una fidelidad en el proceso del 66%. En otro experimento, Mariantoni y sus colegas usaron el sistema para implementar una puerta de fase OR Toffoli de tres qubits con una fidelidad de fase del 98%. Ambas operaciones se ven como esenciales para el funcionamiento práctico de los computadores cuánticos.

“Estas meritorias cifras son muy alentadoras”, dice Mariantoni. “Sin embargo, se necesitarán unos números por encima de 98% o incluso más para que funcione un computador cuántico práctico”.

Largos tiempos de coherencia

Otra característica importante del sistema es que la memoria cuántica puede mantener la información cuántica durante mucho más tiempo que los qubits. Tal “tiempo de coherencia” largo es otro de los requisitos prácticos de una computadora cuántica. Aunque la fidelidad de los estados qubit caía por debajo del 20% después de unos 400 ns, la fidelidad de las memorias se mantuvo por encima del 40% por lo menos 1,5 µs.

El equipo ahora está trabajando para aumentar el número de dispositivos cuánticos integrados en un único chip. De acuerdo con Mariantoni, aunque aumentar la integración es bastante fácil, trabajar con tales chips implica muchas más operaciones cuánticas. Esto significa que los tiempos de coherencia de los componentes individuales también deben aumentarse ​​- algo que es más que un desafío. El equipo está abordando esto buscando maneras de mejorar la calidad de los materiales metálicos y dieléctricos utilizados para hacer los dispositivos.

La investigación se publica en Science.

Artículo traducido y posteado en Ciencia Kanija, el original se publicó en Physics World, su autor es Hamish Johnston.