Los ingenieros del MIT avanzan hacia una computadora cuántica tolerante a fallas
Los investigadores lograron un tipo de acoplamiento entre átomos artificiales y fotones que podría permitir la lectura y el procesamiento de la información cuántica en unos pocos nanosegundos. En el futuro, las computadoras cuánticas podrían simular rápidamente nuevos materiales o ayudar a los científicos a desarrollar modelos de aprendizaje automático más rápidos, abriendo la puerta a muchas nuevas posibilidades. Pero estas aplicaciones solo serán posibles si las computadoras cuánticas pueden realizar operaciones extremadamente rápido, por lo que los científicos pueden realizar mediciones y realizar correcciones antes de que las tasas de error combinadas reduzcan su precisión y confiabilidad. La eficiencia de este proceso de medición, conocido como lectura, se basa en la fuerza del acoplamiento entre fotones, que son partículas de luz que transportan información cuántica, y átomos artificiales, unidades de materia que a menudo se utilizan para almacenar información en una computadora cuántica. Ahora, los investigadores del MIT han demostrado lo que creen que es el acoplamiento no lineal más fuerte de luz-materia jamás logrado en un sistema cuántico. Su experimento es un paso hacia la realización de operaciones cuánticas y lecturas que podrían realizarse en unos pocos nanosegundos. Los investigadores utilizaron una nueva arquitectura de circuito superconductor para mostrar un acoplamiento no lineal de luz-materia que es aproximadamente un orden de magnitud más fuerte que las demostraciones anteriores, lo que podría permitir que un procesador cuántico funcione aproximadamente 10 veces más rápido. Todavía hay mucho trabajo por hacer antes de que la arquitectura pueda usarse en una computadora cuántica real, pero demostrar la física fundamental detrás del proceso es un paso importante en la dirección correcta, dice Yufeng “Bright” Ye SM ’20, PhD ’24, autor principal de un artículo sobre esta investigación. “Esto realmente eliminaría uno de los cuellos de botella en la computación cuántica. Por lo general, debe medir los resultados de sus cálculos entre rondas de corrección de errores. Esto podría acelerar la rapidez con la que podemos alcanzar la etapa de computación cuántica tolerante a fallas y poder obtener aplicaciones y valor del mundo real de nuestras computadoras cuánticas, dice Ye. En el artículo se le unen el autor principal Kevin OaBrien, profesor asociado e investigador principal en el Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT que dirige el Quantum Coherent Electronics Group en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS), así como otros en el MIT, MIT Lincoln Laboratory y la Universidad de Harvard. La investigación aparece hoy en Naturaleza Comunicaciones. Un nuevo acoplador Esta demostración física se basa en años de investigación teórica en el grupo OaBrien. Después de que Ye se unió al laboratorio como estudiante de doctorado en 2019, comenzó a desarrollar un detector de fotones especializado para mejorar el procesamiento de información cuántica. A través de ese trabajo, inventó un nuevo tipo de acoplador cuántico, que es un dispositivo que facilita las interacciones entre qubits. Los Qubits son los componentes básicos de una computadora cuántica. Este llamado acoplador de cuartón tenía tantas aplicaciones potenciales en operaciones cuánticas y lectura que rápidamente se convirtió en un foco del laboratorio. Este acoplador de cuartón es un tipo especial de circuito superconductor que tiene el potencial de generar un acoplamiento no lineal extremadamente fuerte, que es esencial para ejecutar la mayoría de los algoritmos cuánticos. A medida que los investigadores alimentan más corriente en el acoplador, crea una interacción no lineal aún más fuerte. En este sentido, la no linealidad significa que un sistema se comporta de una manera que es mayor que la suma de sus partes, exhibiendo propiedades más complejas. “La mayoría de las interacciones útiles en la computación cuántica provienen del acoplamiento no lineal de la luz y la materia. Si puede obtener una gama más versátil de diferentes tipos de acoplamiento y aumentar la fuerza de acoplamiento, entonces esencialmente puede aumentar la velocidad de procesamiento de la computadora cuántica, explica Ye. Para la lectura cuántica, los investigadores iluminan la luz de microondas en un qubit y luego, dependiendo de si ese qubit está en el estado 0 o 1, hay un cambio de frecuencia en su resonador de lectura asociado. Miden este cambio para determinar el estado de los qubits. El acoplamiento no lineal luz-materia entre el qubit y el resonador permite este proceso de medición. Los investigadores del MIT diseñaron una arquitectura con un acoplador de cuartón conectado a dos qubits superconductores en un chip. Convierten un qubit en un resonador y usan el otro qubit como un átomo artificial que almacena información cuántica. Esta información se transfiere en forma de partículas de luz de microondas llamadas fotones. “La interacción entre estos átomos artificiales superconductores y la luz de microondas que enruta la señal es básicamente cómo se construye una computadora cuántica superconductora completa,” Ye explica. Habilitar una lectura más rápida El acoplador de cuartón crea un acoplamiento no lineal de luz-materia entre el qubit y el resonador que es aproximadamente un orden de magnitud más fuerte de lo que los investigadores habían logrado antes. Esto podría permitir un sistema cuántico con lectura rápida. “Este trabajo no es el final de la historia. Esta es la demostración de física fundamental, pero ahora hay trabajo en curso en el grupo para realizar una lectura realmente rápida, dice OayBrien. Eso implicaría agregar componentes electrónicos adicionales, como filtros, para producir un circuito de lectura que podría incorporarse a un sistema cuántico más grande. Los investigadores también demostraron un acoplamiento materia-materia extremadamente fuerte, otro tipo de interacción qubit que es importante para las operaciones cuánticas. Esta es otra área que planean explorar con el trabajo futuro. Las operaciones rápidas y la lectura son especialmente importantes para las computadoras cuánticas porque los qubits tienen una vida útil finita, un concepto conocido como tiempo de coherencia. Un acoplamiento no lineal más fuerte permite que un procesador cuántico funcione más rápido y con un error menor, por lo que los qubits pueden realizar más operaciones en la misma cantidad de tiempo. Esto significa que los qubits pueden ejecutar más rondas de corrección
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