Logran codificar cuatro métodos de control cuántico en un solo átomo

Ingenieros de computación cuántica de la UNSW Sydney han demostrado que pueden codificar información cuántica de cuatro maneras únicas dentro de un solo átomo en un chip de silicio. Este hito puede aliviar algunos de los desafíos que implica operar decenas de millones de unidades de computación cuántica en tan solo unos pocos milímetros cuadrados de un chip de computadora cuántica de silicio, segñun los autores. En un artículo publicado en Nature Communications, los ingenieros describen cómo utilizaron los 16 "estados" cuánticos de un átomo de antimonio para codificar información cuántica. El antimonio es un átomo pesado que puede implantarse en un chip de silicio, reemplazando uno de los átomos de silicio existentes. Fue elegido porque su núcleo posee ocho estados cuánticos distintos, más un electrón con dos estados cuánticos, lo que da como resultado un total de 8 x 2 = 16 estados cuánticos, todos dentro de un solo átomo. Alcanzar el mismo número de estados utilizando bits cuánticos simples (o qubits, la unidad básica de información cuántica) requeriría fabricar y acoplar cuatro de ellos. La autora principal, Irene Fernández de Fuentes, dice que el equipo, bajo la dirección del profesor de Scientia de ignieería cuántica Andrea Morello, se basó en más de una década de trabajo que había establecido diferentes métodos de control cuántico para demostrar que todos eran posibles dentro del mismo átomo. El átomo de antimonio fue implantado en el chip por colegas de la Universidad de Melbourne, utilizando las instalaciones de los Aceleradores de Iones Pesados de la Universidad Nacional de Australia. "En primer lugar, demostramos que podíamos controlar el electrón del antimonio con un campo magnético oscilante, similar al avance de 2012, que fue la primera vez que se demostró un qubit en silicio", dice en un comunicado. "A continuación demostramos que podíamos utilizar un campo magnético para manipular el espín del núcleo de antimonio. Este es el método de resonancia magnética estándar, como se utiliza, por ejemplo, en las máquinas de resonancia magnética de los hospitales. El tercer método consistía en controlar el núcleo del átomo de antimonio. con un campo eléctrico, algo que fue descubierto por casualidad en 2020. "Y la cuarta forma era controlar tanto el núcleo de antimonio como el electrón en oposición entre sí, utilizando un campo eléctrico utilizando los llamados qubits flip-flop, como lo demostró este equipo el año pasado. Este último experimento muestra que estos cuatro métodos se pueden utilizar en el mismo chip de silicio utilizando la misma arquitectura". La ventaja de tener cuatro métodos diferentes es que cada método brinda a los ingenieros informáticos y físicos más flexibilidad a la hora de diseñar futuros chips de computación cuántica. Por ejemplo, la resonancia magnética es más rápida que la resonancia eléctrica, pero el campo magnético se propaga ampliamente en el espacio, por lo que también puede afectar a los átomos vecinos. La resonancia eléctrica, aunque más lenta, se puede aplicar de forma muy local para seleccionar un átomo específico sin afectar a ninguno de sus vecinos. "Con este gran átomo de antimonio, tenemos total flexibilidad para integrarlo con una estructura de control a través de un chip de silicio", afirma el profesor Morello. Las computadoras cuánticas del futuro tendrán millones, si no miles de millones, de qubits trabajando simultáneamente para procesar números y simular modelos en minutos, lo que a las supercomputadoras actuales les tomaría cientos o incluso miles de años en completarse. Si bien algunos equipos de todo el mundo han avanzado con una gran cantidad de qubits, como el modelo de 70 qubits de Google o la versión de IBM que tiene más de 1.000, requieren espacios mucho más grandes para que sus qubits funcionen sin interferir entre sí. MILLONES DE QUBITS EN UN MILÍMETRO CUADRADO Pero el enfoque que han adoptado el profesor Morello y otros colegas en la UNSW es diseñar computación cuántica utilizando tecnología que ya se utiliza para fabricar computadoras convencionales. Si bien el progreso puede ser más lento en términos de número de qubits en funcionamiento, la ventaja de utilizar silicio significará poder tener millones de qubits en un milímetro cuadrado de chip. "Estamos invirtiendo en una tecnología que es más dura y más lenta, pero por muy buenas razones, una de ellas es la extrema densidad de información que podrá manejar", afirma el profesor Morello. "Está muy bien tener 25 millones de átomos en un milímetro cuadrado, pero hay que controlarlos uno por uno. Tener la flexibilidad de hacerlo con campos magnéticos o eléctricos, o cualquier combinación de ellos, nos dará muchas opciones con las que jugar al ampliar el sistema". A continuación, el grupo utilizará el gran espacio computacional del átomo de antimonio para realizar operaciones cuánticas que son mucho más sofisticadas que las que ofrecen los qubits simples. Planean codificar un qubit "lógico" dentro del átomo, un qubit construido sobre más de dos niveles cuánticos, para obtener suficiente redundancia para detectar y corregir errores a medida que ocurren. "Esta es la próxima frontera para el hardware informático cuántico práctico y útil", afirma el profesor Morello. "Poder construir un qubit lógico con corrección de errores dentro de un solo átomo será una gran oportunidad para ampliar el hardware cuántico de silicio hasta el punto en que se vuelva comercialmente útil".