Flip-flop qubits: Nuevo diseño de computación cuántica radicalmente nuevo

Ingenieros de la Universidad de Nueva Gales del Sur (Australia) han inventado una nueva arquitectura para la computación cuántica, basada en novedosos “qubits de flip-flop”, que promete hacer que la fabricación a gran escala de chips cuánticos sea mucho más barata -y más fácil- de lo que se pensaba.

El nuevo diseño del chip, detallado en la revista Nature Communications, permite un procesador cuántico de silicio que puede ampliarse sin necesidad de colocar los átomos con precisión en otros enfoques. Es importante destacar que permite que los bits cuánticos (o “qubits”) -la unidad básica de información en un ordenador cuántico- se coloquen a cientos de nanómetros de distancia y permanezcan acoplados.

El diseño fue concebido por un equipo liderado por Andrea Morello, Gerente de Programa en el Centro de Excelencia ARC para Computación Cuántica y Tecnología de la Comunicación (CQC2T) con sede en Sydney, UNSW, quien dijo que la fabricación del nuevo diseño debe estar fácilmente al alcance de la tecnología actual.

El autor principal Guilherme Tosi, investigador asociado del CQC2T, desarrolló el concepto pionero junto con Morello y los coautores Fahd Mohiyaddin, Vivien Schmitt y Stefanie Tenberg del CQC2T, junto con los colaboradores Rajib Rahman y Gerhard Klimeck de la Universidad Purdue en los Estados Unidos.

“Es un diseño brillante, y como muchos saltos conceptuales, es increíble que nadie lo haya pensado antes”, dijo Morello.

“Lo que Guilherme y el equipo han inventado es una nueva forma de definir un ‘spin qubit’ que utiliza tanto el electrón como el núcleo del átomo. Crucialmente, este nuevo qubit puede ser controlado usando señales eléctricas, en lugar de señales magnéticas. Las señales eléctricas son significativamente más fáciles de distribuir y localizar en un chip electrónico”.

Tosi dijo que el diseño elude un reto que se espera que enfrenten todos los qubits de silicio basados en el spin a medida que los equipos comienzan a construir conjuntos de qubits cada vez más grandes: la necesidad de espaciarlos a una distancia de sólo 10-20 nanómetros, o solo 50 átomos de separación.

“Si están demasiado cerca o demasiado lejos, el ‘entrelazamiento’ entre bits cuánticos -que es lo que hace que las computadoras cuánticas sean tan especiales- no ocurre”, dijo Tosi.

Los investigadores de la UNSW ya lideran el mundo en la fabricación de qubits en esta escala, dijo Morello. “Pero si queremos hacer un arsenal de miles o millones de qubits tan cerca, significa que todas las líneas de control, la electrónica de control y los dispositivos de lectura deben fabricarse también en esa escala nanométrica, y con ese paso y esa densidad de electrodos. Este nuevo concepto sugiere otro camino.”

En el otro extremo del espectro se encuentran 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 más grandes, a largo plazo pueden enfrentar desafíos cuando intentan ensamblar y operar millones de qubits, como lo requieren los algoritmos cuánticos más útiles.

“Nuestro nuevo enfoque basado en silicio se encuentra justo en el punto ideal”, dijo Morello, profesor de ingeniería cuántica de la UNSW. “Es más fácil de fabricar que los dispositivos a escala atómica, pero aún así nos permite colocar un millón de qubits en un milímetro cuadrado”.

En el qubit de un solo átomo utilizado por el equipo de Morello, y que aplica el nuevo diseño de Tosi, se cubre un chip de silicio con una capa de óxido de silicio aislante, sobre cuya parte superior se apoya un patrón de electrodos metálicos que funcionan a temperaturas cercanas al cero absoluto y en presencia de un campo magnético muy fuerte.

El núcleo central es 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 de qubit completamente nuevo, utilizando tanto el núcleo como el electrón. En este enfoque, se define un estado “0” cuando el giro del electrón está hacia abajo y el giro del núcleo hacia arriba, mientras que el estado “1” es cuando el giro del electrón está hacia arriba, y el giro nuclear está hacia abajo.

“Lo llamamos el qubit’ flip-flop'”, dijo Tosi. “Para operar este qubit, hay que extraer el electrón un poco del núcleo, usando los electrodos de 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 micrón o 1000 nanómetros.

“Esto significa que ahora podemos separar mucho más los qubits de un solo átomo de lo que antes se creía posible”, continuó. “Así que hay mucho espacio para intercalar los componentes clásicos clave como interconexiones, electrodos de control y dispositivos de lectura, manteniendo la naturaleza atómica precisa del bit cuántico”.

Morello calificó el concepto de Tosi de tan significativo como Bruce Kane, el seminal artículo de 1998 en Nature. Kane, luego investigador asociado senior de la UNSW, se topó con una nueva arquitectura que podría hacer realidad un ordenador cuántico basado en silicio, lo que desencadenaría la carrera de Australia.

“Como en el trabajo de Kane, ésta es una teoría, una propuesta: el qubit aún no se ha construido”, dijo Morello. “Tenemos algunos datos experimentales preliminares que sugieren que es totalmente factible, así que estamos trabajando para demostrarlo. Pero creo que esto es tan visionario como el trabajo original de Kane”.

La construcción de un ordenador cuántico se ha denominado la “carrera espacial del siglo XXI”, un reto difícil y ambicioso con el potencial de entregar herramientas revolucionarias para hacer frente a cálculos que de otro modo serían imposibles, con una plétora de aplicaciones útiles en el sector sanitario, la defensa, las finanzas, la química y el desarrollo de materiales, la depuración de software, el sector aeroespacial y el 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 “enredo” que sólo ocurre a nivel cuántico las partículas fundamentales.

“Se necesitará una gran ingeniería para llevar la computación cuántica a la realidad comercial, y el trabajo que vemos en 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 hoy en el corazón de un sofisticado sistema de conocimiento global que está dando forma a nuestro futuro”.

El equipo de la UNSW ha llegado a un acuerdo de 83 millones de dólares australianos entre la 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 el año 2022, un prototipo de circuito integrado cuántico de silicio de 10 bits, el primer paso en la construcción de la primera computadora cuántica del mundo en silicio.

En agosto, los socios lanzaron Silicon Quantum Computing Pty Ltd., la primera empresa de computación cuántica de Australia, para avanzar en el desarrollo y comercialización de las tecnologías únicas del equipo. El Gobierno de Nueva Gales del Sur prometió 8,7 millones de dólares australianos, 25 millones de dólares de los EE. UU., 14 millones de dólares australianos para el Banco del Commonwealth, 10 millones de dólares australianos para Telstra y 25 millones de dólares australianos para el Gobierno federal.

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