Los resultados de un estudio sobre un nuevo qubit superconductor, publicado en la revista Nature Communications, muestran
qubits superconductores
Los modelos computacionales tradicionales se basan ensoluciones físicas correspondientes a las leyes de la mecánica clásica. Así es como funcionan la mayoría de los procesadores modernos, por ejemplo. La computación cuántica utiliza fenómenos que ocurren a escala de átomos y partículas subatómicas para comunicar y procesar información.
Hay varios modelos de computación cuántica,sin embargo, los más populares involucran el uso de qubits y puertas cuánticas. Recordemos que un qubit es un sistema con dos estados posibles, que pueden estar en uno de ellos o en una superposición de ambos. Una puerta cuántica es un elemento básico de un circuito digital que realiza una operación lógica elemental. Describe cómo cambiará el estado de los qubits, teniendo en cuenta los valores iniciales, después de aplicarles una determinada ley.
Dado que los efectos cuánticos aparecen sólo enA escalas ultrapequeñas, la creación de qubits y puertas es una tarea extremadamente difícil. De los muchos enfoques para construir computadoras cuánticas útiles, los qubits superconductores han ganado la mayor popularidad. Para crearlos, los ingenieros utilizan temperaturas cercanas al cero absoluto, momento en el que los efectos cuánticos comienzan a aparecer a nivel macro. Por ejemplo, es esta tecnología la que utilizan los procesadores cuánticos de IBM recientemente introducidos que contienen un récord de 433 qubits.
pareja cooper y transmon
En un superconductor, la mayoría de los portadores de cargason pares de Cooper. Este es un estado ligado de dos electrones que interactúan a través de un fonón. Tiene espín cero y una carga igual al doble de la carga de un electrón. Son estas partículas, actuando como un todo, las que se utilizan para la computación cuántica.
El qubit o bloque de carga más simpleLos pares de Cooper es un elemento cuyo estado determina la presencia o ausencia de pares de Cooper en exceso en la isla. Un componente de este tipo está formado por una pequeña isla superconductora conectada por una unión de Josephson a un depósito superconductor. En esta unión, se suprime la corriente crítica y una corriente de túnel fluye a través de una delgada capa aislante o no superconductora entre los dos superconductores.
El estado del qubit depende del númeroParejas de Cooper que hicieron un túnel a través de la conexión. El efecto túnel se utiliza para diseñar osciladores anarmónicos cuánticos que actúan como cúbits.
Diagrama esquemático de un circuito de qubit de carga. La isla está formada por un electrodo superconductor entre el capacitor de puerta y la capacitancia de unión. Imagen: ETH
Los qubits de carga se crean utilizandotecnologías similares a las utilizadas en microelectrónica. Los dispositivos suelen construirse sobre obleas de silicio o zafiro mediante litografía por haz de electrones y evaporación de una fina película metálica.
En este caso, las uniones de Josephson se forman conutilizando la evaporación de la sombra. Este es un proceso en el que el metal principal se evapora alternativamente en dos ángulos a través de una máscara definida litográficamente en una resistencia de haz de electrones. Esto da como resultado la formación de dos capas superpuestas de metal superconductor, entre las cuales se deposita una fina capa de aislante.
Aunque estos qubits son bastante fáciles de crearAl utilizar tecnología madura utilizada en las computadoras clásicas, sus desventajas incluyen la rápida decoherencia (rotura del entrelazamiento) bajo la influencia del ruido externo. Para que las computadoras cuánticas realicen cálculos útiles, la información que contienen debe tener una precisión cercana al 100%. El ruido de carga causado por la imperfección del entorno material en el que se encuentran los qubits afecta negativamente a la precisión de la información.
Un dispositivo de IBM que consta de cuatro transmons. Imagen: Jay M. Gambetta et al., Quantum Information
Para aumentar la "vida" de tales qubits, enEn 2007, investigadores de la Universidad de Yale finalizaron el sistema y crearon el transmon. Este es un bloque de pares de Cooper, en el que las uniones de Josephson se derivan adicionalmente con un gran condensador capacitivo. La disminución de la sensibilidad al ruido capacitivo dio como resultado un aumento en el tiempo de coherencia de 1 a 2 ns para un bloque de pares de Cooper a casi 100 ns para un transmon.
Unimon es un nuevo qubit superconductor
Ilustración artística de un unimon en un procesador cuántico. Imagen: Aleksandr Kakinen, Universidad Aalto
A pesar de los importantes avances en el desarrolloLa computación cuántica, los diseños de qubits y los métodos actualmente en uso no proporcionan un rendimiento suficientemente alto para un uso práctico generalizado. La complejidad de los cálculos implementados está limitada principalmente por errores en elementos cuánticos con uno y dos qubits.
Para resolver este problema, los investigadoresdesarrolló un nuevo tipo de qubit superconductor. Combinan una anarmónica aumentada (desviación de la energía del sistema de las "fluctuaciones" armónicas), insensibilidad total al ruido de CC, sensibilidad reducida al ruido magnético y una estructura simple.
El dispositivo consta de un Josephsonuna unión desviada por un inductor lineal y un condensador que funciona en un modo en el que la energía inductiva se compensa principalmente con la energía de Josephson. Esta propiedad da como resultado un alto nivel de anarmonía con total inmunidad al ruido de carga de baja frecuencia y protección parcial contra el ruido de flujo, señalan los investigadores.
Para la demostración experimental del unimon, los científicoschips diseñados y fabricados, cada uno compuesto por tres qubits unimon. Usaron niobio como material superconductor, con la excepción de los contactos de Josephson, en los que los cables superconductores estaban hechos de aluminio.
Izquierda:Imagen microscópica de color falso de un chip de silicio que contiene tres unimones (azul) junto con sus cavidades de lectura (rojo), líneas de transmisión (verde) y línea de conexión de la sonda (amarillo). Derecha: una configuración experimental simplificada utilizada para medir unimones. Imagen: Eric Hyyppä et al., Nature Communications
Con sus dispositivos, los científicos han logradoPrecisión del 99,8 % al 99,9 % para puertas de qubit único de 13 ns en tres qubits unimon diferentes. Los investigadores señalan que debido a la mayor anarmonía o no linealidad que en los transmones, los unimones se pueden trabajar más rápido, lo que genera menos errores por operación.
Los unimons son muy simples pero tienen muchas ventajas.frente a los transmons. El hecho de que el primer unimon jamás creado funcionara tan bien abre mucho espacio para la optimización y grandes avances.
Mikko Mettonen, Profesor de Tecnología Cuántica en la Universidad Aalto
Los investigadores seguirán trabajando en mejoras endiseño, materiales y tiempos de puerta unimon para superar el objetivo de precisión del 99,99% para crear una ventaja cuántica útil y una corrección de errores eficiente en dispositivos prácticos basados en una gran cantidad de qubits.
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