Las computadoras cuánticas, sistemas informáticos que procesan información mediante efectos de la mecánica cuántica, podrían superar a las computadoras clásicas en algunas tareas computacionales. Estas computadoras se basan en qubits, las unidades básicas de información cuántica, que pueden existir en múltiples estados (0, 1 o ambos simultáneamente), debido a efectos cuánticos conocidos como superposición y entrelazamiento.
Muchas de las computadoras cuánticas desarrolladas en los últimos años se basan en superconductores convencionales, materiales que exhiben una resistencia eléctrica de cero a temperaturas extremadamente bajas. Para funcionar de manera confiable y exhibir superconductividad, los circuitos basados en estos materiales deben enfriarse a temperaturas de mikelvin.
En las computadoras cuánticas, cada qubit normalmente requiere su propia línea de control. Esto significa que los ingenieros necesitan introducir varios cables que transporten pulsos eléctricos (es decir, líneas de señal), y la cantidad de cables necesarios aumenta con la cantidad de qubits. A medida que las computadoras cuánticas crecen, esto puede resultar problemático, ya que los procesadores se vuelven más difíciles de construir y operar de manera confiable.
Investigadores de Seeqc Inc., una empresa que desarrolla sistemas de computación cuántica digital, introdujeron recientemente un nuevo procesador cuántico que podría funcionar de manera confiable y a temperaturas de mikelvin, a pesar de requerir significativamente menos cableado. Este procesador, presentado en un artículo publicado enElectrónica de la naturaleza, tiene un diseño único en el que los qubits y su electrónica de control están integrados en dos chips superconductores separados pero conectados.
"El desarrollo de plataformas de computación cuántica superconductoras enfrenta considerables desafíos de escala porque se requieren líneas de señal individuales para controlar cada qubit", escribieron Caleb Jorda, Jacob Bernhardt y sus colegas en su artículo. "Esta sobrecarga de cableado es el resultado del bajo nivel de integración entre la electrónica de control a temperatura ambiente y los qubits que funcionan a temperaturas de mikelvin. Una alternativa prometedora es utilizar electrónica de control digital superconductora criogénica que coexista con los qubits".
Superando el desafío del cableado
Para superar los problemas de cableado que hasta ahora han obstaculizado el desarrollo de procesadores cuánticos-de mayor escala, este equipo de investigación diseñó un nuevo módulo multi-chip. Este módulo consta de dos chips separados, uno que alberga qubits y el otro que controla la electrónica.
Los investigadores utilizaron específicamente electrónica de control cuántico de flujo único, circuitos digitales superconductores que generan impulsos eléctricos muy cortos y precisos a través de pequeñas señales magnéticas cuantificadas. El chip que alberga estos circuitos se conectó al chip que contiene circuitos superconductores mediante un método conocido como unión de chip invertido.
Este enfoque implica colocar chips cara-con-cara y luego unirlos mediante protuberancias metálicas microscópicas. Todo el módulo multi-chip desarrollado por Jorda, Bernhardt y sus colegas opera dentro de una configuración criogénica que lo mantiene a temperaturas de mikelvin.
"Presentamos una unidad de procesador cuántico activo en la que los qubits y la electrónica de control cuántico de flujo único-se integran en un único módulo multi-chip mediante unión de chip- flip", escribieron los autores. "Nuestro sistema utiliza demultiplexación digital para distribuir pulsos de control a varios qubits, rompiendo así la escala lineal de las líneas de control al número de qubits. Con este enfoque, demostramos fidelidades de un único-qubit por encima del 99 % y hasta el 99,9 %".
Un nuevo enfoque para los procesadores cuánticos de lujo
El procesador cuántico diseñado por este equipo de investigación tiene ventajas notables sobre muchos otros procesadores cuánticos superconductores introducidos en el pasado. En las pruebas iniciales, se descubrió que funcionaba notablemente bien y mantenía un excelente control sobre los qubits sin necesidad de un cableado extenso.
En el futuro, el nuevo diseño podría ampliarse para crear procesadores cuánticos más grandes que contengan muchos qubits adicionales y, por lo tanto, puedan abordar problemas computacionales más complejos. Además, podría inspirar la introducción de otros módulos cuánticos multi-chip similares que funcionen de forma fiable y sean más fáciles de ampliar.
