La computación cuántica de iones atrapados e impulsada por microondas bate nuevos récords
Los iones atómicos atrapados son una de las plataformas más prometedoras para la puesta en práctica de ordenadores cuánticos de gran escala. Los cúbits se basan en estados electrónicos estables de iones confinados y atrapados mediante campos electromagnéticos. La escalabilidad está al alcance de la mano, ya que pueden crearse millones de cúbits de iones atrapados idénticos (normas de reloj atómico). Convencionalmente, cada cúbit se manipula con dos haces láser. Esto funciona en el laboratorio para uno o un puñado de cúbits, pero los ordenadores cuánticos a gran escala requerirían millones de haces láser. La tecnología de microondas, compacta y muy asentada, podría permitir sustituir las parejas de haces láser con la aplicación de tensión a un microchip a temperaturas suaves. El proyecto MicroQC, financiado con fondos europeos, avanzó con este enfoque, allanando así el camino hacia una computación cuántica a gran escala que aprovecha la lógica cuántica escalable impulsada por microondas en un chip.
Ordenadores cuánticos de iones atrapados e impulsados por microondas: principales desafíos
Al utilizar la radiación de microondas en lugar de haces láser controlados con precisión, los científicos pueden radiar una gran cantidad de iones con una única fuente; además, los componentes de microondas disponibles en el mercado ya pueden servir para este fin. Sin embargo, la radiación global de longitud de onda larga solo afecta de forma débil al movimiento de los iones. Su combinación con campos magnéticos locales fuertes permite un control preciso y eficiente de los cúbits que resultan de interés. Uno de los principales desafíos se refiere a los efectos de grandes gradientes de campo magnético sobre chips de trampa iónica microfabricados. Además, el concepto actual de estructura informática cuántica de iones atrapados a gran escala está formado por diferentes módulos (como azulejos minúsculos) conectados a través de «uniones en X» que permiten que un cúbit de iones individual interactúe con sus vecinos. El carácter modular confiere escalabilidad; sin embargo, cada módulo tiene diferentes zonas en su interior para la carga y trampa, manipulación, almacenamiento y lectura, por lo que son imperativos unos protocolos de transporte de iones de alta fidelidad. Por ejemplo, un 99 % de fidelidad significa menos de 1 error por cada 100 operaciones.
Los puntos débiles de batir récords: los errores de transporte de iones y la diafonía
En MicroQC se logró abordar ambos desafíos. El coordinador del proyecto, Nikolay V. Vitanov de la Universidad de Sofía, explica lo siguiente: «En MicroQC, nos esforzamos por mejorar los chips de trampa iónica microfabricados, aumentando así el gradiente del campo magnético un orden de magnitud, de unos veinte a unos doscientos teslas por metro. El incremento del gradiente permite la construcción de puertas cuánticas mucho más rápidas y más precisas». Quizá el logro más notable del consorcio está relacionado con la mejora de la fidelidad de las puertas de dos cúbits, así como con la minimización de los errores de transporte de iones y de la diafonía. La ampliación del número de cúbits de un ordenador cuántico desde el máximo actual de 127 a varios millones requerirá que cada cúbit o pareja de cúbits se controle individualmente y con una alta precisión. La diafonía, es decir, cuando la manipulación de un cúbit afecta a otros, complica significativamente la corrección de errores cuánticos, dado que en esos casos no son ni locales ni predecibles. «MicroQC logró una fidelidad de las puertas de dos cúbits del 99,7 %, una diafonía indeseada con los cúbits adyacentes de menos de 10-7 y una hoja de ruta hacia una computación cuántica de escala comercial con millones de cúbits. El trabajo del proyecto permitió batir este y otros récords mundiales en materia de computación cuántica de iones atrapados», añade Vitanov.
El futuro del procesamiento cuántico de información basado en microondas
Los conocimientos, información y experiencia obtenidos durante el proyecto se resumieron en una hoja de ruta para alcanzar unos niveles de preparación tecnológica elevados para el procesamiento cuántico de información basado en microondas con iones atrapados. El proyecto puede haber concluido, pero condujo a la creación de las empresas emergentes Universal Quantum, Qudora Technologies y EleQtron, que garantizarán que su revolucionario éxito encuentre una aplicación práctica en los futuros ordenadores cuánticos para superar problemas de la vida real.
Palabras clave
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