Los qubits están en el corazón de la computación cuántica. También son su mayor debilidad

La revolución de la computación cuántica está casi sobre nosotros, con una amplia gama de sensores, sistemas de comunicación y computadoras espectacularmente poderosas, todos tentadoramente cerca de la actualización.

Los prototipos funcionales de computadoras cuánticas, como la máquina Sycamore de Google, ya están en funcionamiento en todo el mundo. En el corazón de tales tecnologías se encuentran los “bits cuánticos” o “qubits”, las unidades fundamentales de la computación cuántica, de manera similar a cómo los bits son las unidades fundamentales de la computación tradicional.

Ahora, los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) han desarrollado un nuevo método para crear pequeños puntos emisores de luz llamados centros de color; surgen en defectos dentro de los cristales al tomar un material conocido y darle un giro. A su vez, estos centros de color controlables podrían usarse como una nueva forma de generar cúbits.

Pero la gran pregunta es: si las computadoras cuánticas ya existen y usan qubits, ¿por qué necesitamos un nuevo método para hacer estos bits cuánticos? Resulta que los fenómenos que impulsan los qubits, y por lo tanto las computadoras cuánticas, también son las mayores debilidades de esta tecnología emergente.

Cómo aprovechan los Qubits el mundo cuántico

El poder computacional agregado de las computadoras cuánticas radica en el hecho de que los qubits utilizan los fenómenos asombrosos y, a menudo, francamente preocupantes del mundo cuántico para operar.

Por ejemplo, mientras que los bits pueden tomar dos valores, 0 o 1, básicamente “encendido” o “apagado”, el fenómeno cuántico de superposición, en el que múltiples estados de un sistema se superponen, permite que los qubits tomen simultáneamente múltiples valores contradictorios.

Entonces, un solo qubit podría estar en un “encendido” y estado “apagado”, simplemente un estado “encendido”, o simplemente un estado “apagado”; estos posibles estados aumentan a medida que los qubits se reúnen en masa para crear una red cuántica. Eso significa que puede existir una multitud de qubits en una enorme cantidad de estados.

El entrelazamiento es el otro fenómeno cuántico importante que permite que los qubits se transmitan información entre sí en una computadora cuántica. Esta es la idea de que las partículas se pueden vincular de tal manera que no se pueden describir de forma independiente. Cambiar una partícula al realizar una medición cambia instantáneamente a su pareja entrelazada, sin importar cuán separadas estén las dos partículas, incluso si están en extremos opuestos del universo. Esto preocupó tanto a Albert Einstein que describió el enredo como “acción espeluznante a distancia”.

La aplicación de estos elementos cuánticos significa que mientras que agregar bits a una computadora tradicional escala su poder de cómputo linealmente, agregar qubits a una computadora cuántica la escala exponencialmente. Matemáticamente, eso significa que si una computadora cuántica tiene norte qubits, estos pueden existir en una superposición de 2^norte estados

El entrelazamiento de qubits y el almacenamiento de información en una superposición hace que las computadoras cuánticas sean más poderosas que las computadoras clásicas y da como resultado un sistema que puede resolver problemas exponencialmente más rápido. Pero, hay una trampa. Uno grande. Los estados cuánticos como el entrelazamiento y la superposición son increíblemente delicados y se destruyen fácilmente. Y ese es un revés importante para la confiabilidad de las computadoras cuánticas.

Un problema ruidoso

En el laboratorio, los estados entrelazados y la superposición en los sistemas cuánticos se destruyen con la medición. El problema es que esta “medida” es solo una forma de interferencia, y la interferencia puede provenir de varias fuentes alrededor de un sistema cuántico.

El colapso de una superposición o la pérdida de entrelazamiento también podría ser causado por una interacción con una partícula, un campo magnético o algo tan simple como una fluctuación de temperatura.

Esto significa que las computadoras cuánticas deben operarse en condiciones extremadamente bien controladas, como temperaturas extremadamente bajas, para protegerlas de cualquier “ruido” ambiental. Incluso entonces, la fragilidad de estos estados significa que las computadoras cuánticas aún no son capaces de producir grandes cadenas de cálculos con precisión.

Es por eso que equipos como el de Berkeley Lab están trabajando en nuevas formas de crear qubits, con la esperanza de poder desarrollar un sistema que esté mejor protegido contra el “ruido”.

Un giro colorido en Qubits

“Los qubits se pueden realizar de muchas maneras diferentes”, dice Cong Su, investigador de Berkeley Lab involucrado en el nuevo trabajo sobre qubits. Mecánica Popular. “Una forma es utilizar centros de color en semiconductores, que son esencialmente emisiones provenientes de defectos”.

Dirigido por Shaul Aloni, científico del personal de Molecular Foundry de Berkeley Lab, el equipo utilizó un material en capas cristalinas “retorcidas” de estado sólido para dar lugar a estos centros de color. Su trabajo fue publicado el verano pasado en la revista Materiales de la naturaleza.

“Usamos nitruro de boro hexagonal en nuestro experimento, que tiene una red de panal que consta de átomos de boro y nitrógeno. Esta estructura es muy similar al grafeno, por lo que el nitruro de boro hexagonal también se llama grafeno blanco”, explica Su. “En este material, usamos las emisiones provenientes de los defectos, que están intrínsecamente incrustados o creados intencionalmente por el bombardeo de partículas dentro del nitruro de boro hexagonal, para crear centros de color”.

Debido a que son defectos microscópicos en materiales cristalinos como el diamante, que emiten luz de un color específico cuando se golpean con un láser o una fuente de energía alternativa como un haz de electrones, los sensores de color se pueden unir con dispositivos que controlan la luz para conectar componentes en forma cuántica. procesador.

⚛️ Los 4 tipos más comunes de Qubits

Giro: debido a que las partículas cuánticas actúan como imanes, siempre apuntando hacia arriba o hacia abajo, nunca en el medio, esta propiedad se puede explotar para definir los qubits de giro (0 = apuntando hacia arriba, 1 = apuntando hacia abajo).

Átomos e iones atrapados: En su estado natural, los electrones buscan habitar los niveles de energía más bajos posibles. Pero cuando se excitan con láseres, pueden alcanzar un nivel más alto (0 = estado de baja energía, 1 = estado de alta energía).

Fotones: Hay varias formas de usar partículas individuales de luz como qubits.

*qubit de polarización: Los fotones tienen campos electromagnéticos con orientaciones particulares, lo que se denomina polarización (0 = horizontal, 1 = vertical).

*Ruta qubit: Mediante el uso de divisores de haz para colocar fotones en un estado de superposición, se pueden aprovechar para definir un qubit en función de las rutas que toman (0 = ruta superior, 1 = ruta inferior).

*Qubit de tiempo: Esto se basa en el tiempo de llegada de un fotón, también en una superposición cuántica (0 = el fotón llega antes, 1 = el fotón llega más tarde).

Circuitos superconductores: Los superconductores son materiales que, cuando se enfrían a baja temperatura, dejan fluir una corriente eléctrica sin resistencia. Compuestos por miles de millones de átomos, este tipo de qubits todavía actúan como un solo sistema cuántico; se definen en función de la dirección en que fluye la corriente alrededor de un circuito (0 = corriente en el sentido de las agujas del reloj, 1 = corriente en el sentido contrario a las agujas del reloj).

Fuente: Instituto de Computación Cuántica, Universidad de Waterloo

Los centros de color en el nitruro de boro hexagonal son en realidad más brillantes que los del diamante, pero hasta esta investigación, los científicos han tenido problemas para usar este material, un aditivo común en las pinturas, ya que es difícil producir defectos en determinadas ubicaciones.

“Tradicionalmente, los centros de color se crean utilizando implantaciones de iones. Sin embargo, esto crea centros de color en ubicaciones aleatorias debido a la falta de control espacial”, explica Su. “Estamos tratando de utilizar la interfaz de nitruro de boro hexagonal y haces de electrones para confinar la ubicación de estos centros de color”.

Otro obstáculo para esta investigación ha sido el hecho de que, hasta ahora, los investigadores carecían de una forma fiable de activar y desactivar los centros de color en este material sintetizado. El equipo resolvió estos problemas apilando y rotando capas hexagonales de nitruro de boro como un sándwich, con la capa superior de pan girada en relación con la inferior. Esto tuvo el efecto de activar y mejorar las emisiones ultravioleta (UV) de los centros de color.

“Nos sorprendió mucho ver que un simple giro de capas puede mejorar el brillo de los centros de color en casi dos órdenes de magnitud”, dice Su.

El equipo espera que la investigación sea el primer paso hacia un dispositivo de centro de color que los ingenieros puedan usar para construir un sistema cuántico, o que se pueda adaptar para usarlo en sistemas cuánticos existentes. Sin embargo, se necesitará más trabajo antes de que eso sea posible, con una mejora en la fidelidad de los centros de color necesarios para reducir los errores durante el cálculo cuántico.

“Todavía se necesita mucho esfuerzo para hacer un dispositivo cuántico basado en sistemas de centro de color”, dice Su. “Por ejemplo, se necesita una guía de ondas para conectar diferentes qubits para que se enreden y se comuniquen entre sí.

“Queremos descubrir y crear intencionalmente más centros de color con mejores propiedades, y también queremos encontrar otras formas de controlarlos”.