Los investigadores han desarrollado un nuevo tipo de arquitectura interconectada para chips de computación cuántica, y podría allanar el camino para máquinas capaces de procesar a gran escala, incluidas aquellas con más de un millón de qubits.
En un estudio publicado el 15 de junio en la revista APL Quantum, los científicos buscaron resolver un enorme problema de las unidades de procesamiento cuántico (QPUs) líderes: los qubits tienen dificultades para comunicarse y compartir información cuántica entre sí si no son vecinos inmediatos.
Por ello, los científicos fueron pioneros de Quantum Phononic Links (QPLs) —un enfoque para el acoplamiento a larga distancia entre qubits que se apoya en fonones — cuasipartículas que transportan energía de vibración— para transmitir información. En contraste, métodos convencionales, como las ondas acústicas superficiales —vibraciones sonoras de alta frecuencia— requieren diseños complejos y hardware adicional.
«Uno de los desafíos clave en la computación cuántica es la conectividad de qubits a larga distancia», afirmó Maksym Myronov, profesor asociado de materiales y dispositivos semiconductores en la Universidad de Warwick, Reino Unido, y primer autor del estudio, en una declaración. «Nuestro trabajo presenta un nuevo concepto en el que los fonones actúan como un bus cuántico, permitiendo que qubits distantes intercambien información cuántica mientras permanecen plenamente compatibles con la tecnología de semiconductores».
En el estudio, los científicos indicaron que la forma más prometedora de lograr una computadora cuántica capaz de procesamiento a gran escala y que aproveche los QPLs sería una modalidad de qubit conocida como “qubits de espín de huecos en semiconductores”.
Un “hueco” aquí se refiere a la ausencia de un electrón en un material, pero puede actuar como una partícula y poseer un estado de espín —una propiedad utilizada para codificar información cuántica—, donde los 1 y 0 de los datos estarían representados por la dirección del estado de espín de la partícula.
Para demostrar esta tecnología, crearon una QPU prototipo que consistía en silicio con una capa delgada de cristal de germanio, un material especializado al que llamaron cs-GoS (germanio comprimido sobre silicio). El germanio es un material especialmente útil para la computación cuántica, ya que posee propiedades naturales que reducen la decoherencia —la pérdida de información cuántica debida a interferencias externas.
Los qubits de espín de huecos combinan largos tiempos de coherencia cuántica —cuánto pueden conservar la información cuántica— con la capacidad de comunicarse mediante impulsos electrónicos en sistemas de control. Pero les cuesta formar enlaces y compartir información cuántica con qubits que no están en su vecindario directo. En cualquier sistema a gran escala, por ejemplo, habilitar este ‘acoplamiento cuántico’ entre qubits distantes es esencial para que las técnicas de corrección de errores cuánticos funcionen de manera efectiva en todo un sistema masivo, dijeron los científicos.
Otros enfoques propuestos para comunicaciones a larga distancia, como la derivación de carga (charge shunting) —redirigir capacitores para reducir la sensibilidad al ruido de carga—, o las ondas acústicas de superficie —ondas sonoras de alta frecuencia—, tienen limitaciones fundamentales respecto a su escalabilidad, tanto en tamaño como en mantener la coherencia. Ahí es donde entran los QPLs.
Los QPLs son guías de onda fonónicas y cavidades diseñadas para confinar y guiar modos acústicos dentro de un “pozo cuántico” de germanio con tensión compresiva sobre silicio (cs-GoS), donde un pozo cuántico es una capa ultrafina que actúa como guía.
En el estudio, los investigadores se centraron en qubits que utilizan huecos de la banda de valencia —la ausencia de electrones en cero absoluto— alojados usando cs-GoS. Con QPLs, los científicos enviaron vibraciones semejantes al sonido a través del material especializado para transportar información cuántica entre los qubits distantes.
Los estados de espín en este material son muy sensibles a las deformaciones de la red, lo que permite un control preciso y el acoplamiento de los estados de espín con la energía vibracional. Esencialmente, esto permite que el estado de espín se distinga de su contrapartida electrónica, habilitando las estrategias de acoplamiento fonónico. La técnica que emplearon permitió un acoplamiento directo entre fonones y espines de huecos.
Al utilizar una velocidad de onda lenta (la velocidad de una partícula cuántica) y una longitud de onda corta para excitaciones acústicas, los científicos emplearon QPLs para enlazar qubits separados por menos de un micrómetro (una milésima de milímetro) y aquellos a una distancia de hasta 300 mm (11,8 pulgadas).
Los QPLs no solo son prometedores para la computación cuántica; al usar fonones como conexiones, esta técnica ofrece una interfaz versátil para sistemas cuánticos híbridos —computadoras convencionales con funcionalidad cuántica. Esto podría permitir una interconexión coherente de qubits de espín en semiconductores con otras plataformas cuánticas, como la computación cuántica en la nube.
La combinación de ingeniería fonónica y la física de espín de huecos hace de cs-GoS una plataforma prometedora para las arquitecturas cuánticas de próxima generación, añadieron, ya que podría lograr tanto un acoplamiento coherente a larga distancia como una integración a gran escala.
