Una startup alemana ha presentado el primer sistema de computación cuántica basado en diamantes que supera los 10 qubits.
La máquina, construida por ingenieros de Saxon Q, es una computadora cuántica de vacancia de nitrógeno (NV), lo que significa que utiliza defectos en diamantes sintéticos como bits cuánticos (qubits) para realizar operaciones cuánticas. Los qubits pueden manipularse para representar los ceros y unos de los datos, así como estados cuánticos que son superposiciones de ambos.
El hardware está disponible actualmente en sistemas montados en rack que admiten hasta 128 qubits, y se prevén configuraciones de 512 qubits para entrega el próximo año. Según la hoja de ruta de la compañía, la meta es escalar a 10,000 qubits y mucho más allá después de 2030.
Aunque la tecnología existía antes de este estreno, los científicos han encontrado difícil construir sistemas que vayan más allá de 10 qubits debido a la dificultad de crear qubits de vacancia de nitrógeno.
Aunque Live Science vio un white paper técnico que describe cómo funciona la tecnología, no parecía haber investigaciones publicadas que muestren un ordenador cuántico funcional basado en la arquitectura NV operando con más de 10 qubits antes de este lanzamiento. Aún no está claro exactamente cuán bien se comparan los computadoras cuánticas de la empresa con otras plataformas.
Mecánica cuántica y diamantes defectuosos
En la década de 1970, los científicos descubrieron que ciertos diamantes brillaban con una luz roja intensa cuando se iluminaban de una manera específica. Investigaciones posteriores determinaron que ese desplazamiento óptico era causado por la reparación térmica de daños por radiación que atraían átomos de nitrógeno sustitucional aislados. En otras palabras, la naturaleza, a veces, produce un diamante en el que un átomo de nitrógeno ocupa el lugar donde debería haber un carbono.
Los átomos de nitrógeno no integrados son atraídos por la vacante en el interior de los átomos de carbono perfectamente ordenados dentro del diamante. Aunque estos diamantes defectuosos ocurren rara vez en la naturaleza, los científicos pueden crear diamantes con vacancias de nitrógeno en laboratorios.
Funcionalmente, los átomos de nitrógeno dentro de las vacantes actúan como si estuvieran “atrapados” y sus electrones pueden “girar” independientemente de los electrones dentro de los átomos de carbono circundantes.
Los científicos aprovechan esta característica de “spin” utilizando láseres especiales para colocar los electrones del átomo de nitrógeno en un estado específico que miden como “cero.” Luego pueden usar pulsos de microondas para manipular con precisión los electrones en numerosas configuraciones, incluidas estados cuánticos que no pueden lograr los bits binarios.
Tenemos una computadora cuántica completamente funcional.
Marius Grundmann, profesor de física experimental en la Universidad de Leipzig y cofundador de Saxon Q,
Marius Grundmann, un profesor de física experimental en la Universidad de Leipzig y cofundador de Saxon Q, dijo que el avance que permitió a su empresa superar la barrera de 10 qubits fue un descubrimiento de materiales.
Cuando el equipo de Saxon Q crea la vacante dentro de sus diamantes cultivados en laboratorio, coimplantan azufre. Según Grundmann, “Ese es el punto tecnológico clave. Porque el azufre eleva el potencial químico a un punto en el que adquiere carga negativa. El azufre suministra el electrón; el azufre también hace que la vacante se una al nitrógeno con un rendimiento muy alto”.
En otras palabras, al coimplantar átomos de azufre, los investigadores de Saxon Q pueden expresar un mayor control sobre los qubits individuales. Una vez que los qubits se configuran con láseres y se exponen a pulsos de microondas, están listos para la corrección de errores. En un comunicado, representantes de Saxon Q indicaron que los qubits alcanzaron una tasa de fidelidad del 99.92% — menos de un error por cada 1,000 operaciones — antes de la corrección de errores.
Sin embargo, Grundmann dijo a Live Science que los números más recientes, a fecha del 22 de julio, mostraron una fidelidad del 99.98% en operaciones con un solo qubit. Eso es comparable a los resultados de corrección de errores de última generación reportados por otros laboratorios de computación cuántica, como IBM y MIT, aunque no fue posible verificar los resultados de forma independiente.
Computación cuántica a temperatura ambiente
Es difícil comparar los sistemas NV basados en diamantes de Saxon Q con plataformas de computación cuántica más consolidadas, como los qubits superconductores. La mayoría de la investigación reciente sobre sistemas NV se ha centrado en aplicaciones de detección cuántica, aunque al menos un estudio de preimpresión aborda sistemas híbridos NV/superconductores.
“Tenemos una computadora cuántica completamente funcional”, afirmó Grundmann a Live Science. Según él, las computadoras cuánticas de la empresa están a la par con las que utilizan otras modalidades. “Tenemos una computadora cuántica que puede ejecutar código cuántico accesible a través de la red, y es un sistema multitusuario, multitarea y multicore”, aseguró.
Si los sistemas de Saxon Q demuestran finalmente ser comparables con las arquitecturas cuánticas de estado sólido ya existentes, serían de la primera generación de computadoras cuánticas a temperatura ambiente que alcanzan un rendimiento similar al de sistemas que requieren criogenia y monitoreo en el sitio.
La facilidad de configuración es notable. Los dispositivos de Saxon Q se pueden insertar en un rack de ordenador estándar y conectarse directamente a la corriente alterna.
Esto ofrece una ventaja clara a corto plazo para los clientes que desean ejecutar algoritmos en un sistema cuántico sin operar a través de la nube. Grundmann mencionó que esto podría ser especialmente importante en escenarios de computación en el borde (edge computing), como la conducción autónoma o la robótica, donde la comunicación en la nube podría generar latencias inaceptables.
La investigación que compara sistemas cuánticos de estado sólido indica que las computadoras cuánticas superconductoras normalmente operarían más rápido que los sistemas NV basados en diamante. Sin embargo, no está claro cuál sería la compensación entre la velocidad de procesamiento y la latencia de la nube o si podría abordarse mediante la escalabilidad.
El desafío actual para escalar computadoras cuánticas NV basadas en diamante más allá del rango de 512 qubits es el tamaño de los chips. Los chips actuales de Saxon Q solo pueden admitir ocho o 16 qubits. Para sistemas más potentes, los científicos necesitarán apretar cientos —o incluso miles— de qubits en una sola matriz para respaldar operaciones que requieren cientos de miles o millones de qubits.
