Un nuevo chip cuántico revoluciona el concepto del qubit

   MADRID, 8 Sep. (EUROPA PRESS) -

   Una arquitectura radicalmente nueva para la computación cuántica, basada en nuevos qubits 'basculantes', promete abaratar drásticamente la producción a gran escala de chips cuánticos.

   El nuevo diseño de chip, detallado en la revista Nature Communications, se traduce en un procesador cuántico de silicio que puede ampliarse sin la colocación precisa de átomos requeridos en otros enfoques. Es importante destacar que permite que los bits cuánticos (o "qubits") - la unidad básica de información en un ordenador cuántico - se ubiquen a cientos de nanómetros de distancia y aún permanezcan acoplados.

   El diseño fue concebido por un equipo liderado por Andrea Morello, Gerente de Programa en el Centro de Excelencia para la Computación y Computación Cuántica (CQC2T) en Sydney (Australia), quien dijo que la fabricación del nuevo diseño debería estar fácilmente al alcance de la tecnología de hoy. Guilherme Tosi, investigador del CQC2T, desarrolló el concepto pionero junto con Morello.

   "Es un diseño brillante y. como muchos saltos conceptuales de esta naturaleza, es sorprendente que nadie había pensado en ello antes", dijo Morello en un comunicado.

   "Lo que Guilherme y el equipo han inventado es una nueva forma de definir un 'qubit de espín' que usa tanto el electrón como el núcleo del átomo. De manera crucial, este qubit puede ser controlado usando las señales eléctricas en lugar de las magnéticas, que son significativamente más fáciles de distribuir y localizar dentro de un chip electrónico".

   Tosi dijo que el diseño evita el desafío al que se esperaba que se enfrentasen todos los qubits de silicio basados en espín, a medida que los equipos empezasen a construir matrices de qubits cada vez mayores: la necesidad de espaciarlos a una distancia de tan sólo 10-20 nanómetros o sólo 50 átomos aparte.

   "Si están demasiado cerca o demasiado separados, no se produce el entrelazamiento entre los bits cuánticos -que es lo que hace que las computadoras cuánticas sean tan especiales-, dijo Tosi.

   El grupo de investigación australiano, vinculado a la Universidad de Nueva Galés del Sur (UNSW), ya lidera la fabricación de qubits de espín a esta escala, dijo Morello. "Pero si queremos hacer una matriz de miles o millones de qubits tan cerca juntos, significa que todas las líneas de control, la electrónica de control y los dispositivos de lectura también deben fabricarse a esa escala nanométrica, y con ese tono y esa densidad. Este nuevo concepto sugiere otro camino. "

   En el otro extremo del espectro están los circuitos superconductores - perseguidos por ejemplo por IBM y Google - y 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 mayores, en el largo plazo pueden enfrentar desafíos al intentar ensamblar y operar millones de qubits, como es requerido por los algoritmos cuánticos más útiles.

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

   En el qubit de átomo único utilizado por el equipo de Morello, y que el nuevo diseño de Tosi aplica, un chip de silicio está cubierto con una capa de óxido de silicio aislante, sobre la cual descansa un patrón de electrodos metálicos que operan a temperaturas cercanas al cero absoluto y en la presencia de un campo magnético muy fuerte.

   En el núcleo está un átomo de fósforo, del cual el equipo de Morello ha construido previamente dos qubits funcionales usando un electrón y el núcleo del átomo. Estos qubits, tomados individualmente, han demostrado tiempos de coherencia record.

   El avance conceptual de Tosi es la creación de un tipo totalmente nuevo de qubit, usando tanto el núcleo como el electrón. En este enfoque, se define un estado qubit '0' cuando el espín del electrón está hacia abajo y el núcleo está hacia arriba, mientras que el estado '1' es cuando el espín electrónico está hacia arriba y el espín nuclear está hacia abajo.

   "Lo llamamos el qubit 'flip-flop' (basculante), dijo Tosi. "Para operar este qubit, necesitas sacar el electrón un poco más lejos del núcleo, usando los electrodos en la parte superior, para lo cual también crearás un dipolo eléctrico".

   Estos dipolos eléctricos interactúan entre sí a distancias bastante grandes, una buena fracción de micrón, o 1.000 nanómetros, lo que permite colocar los qubits de un solo átomo mucho más alejados de lo que se creía posible.