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Crédito: Krantz Nanoart

2023-09-27

El nuevo circuito qubit permite operaciones cuánticas con mayor precisión


En el futuro, los ordenadores cuánticos podrán resolver problemas que son demasiado complejos para los superordenadores más potentes de la actualidad. Para hacer realidad esta promesa, las versiones cuánticas de códigos de corrección de errores deben poder dar cuenta de los errores computacionales más rápido de lo que ocurren.

Sin embargo, las computadoras cuánticas actuales aún no son lo suficientemente robustas como para realizar dicha corrección de errores a escalas comercialmente relevantes.

En el camino para superar este obstáculo, los investigadores del MIT demostraron una novedosa arquitectura de qubits superconductores que puede realizar operaciones entre qubits (los componentes básicos de una computadora cuántica) con mucha mayor precisión de la que los científicos habían podido lograr anteriormente.

Utilizan un tipo relativamente nuevo de qubit superconductor, conocido como fluxonio, que puede tener una vida útil mucho más larga que la de los qubits superconductores más utilizados.

Su arquitectura implica un elemento de acoplamiento especial entre dos qubits de fluxonio que les permite realizar operaciones lógicas, conocidas como puertas, de manera muy precisa. Suprime un tipo de interacción de fondo no deseada que puede introducir errores en las operaciones cuánticas.

Este enfoque permitió puertas de dos qubits que superaron el 99,9 por ciento de precisión y puertas de un solo qubit con una precisión del 99,99 por ciento. Además, los investigadores implementaron esta arquitectura en un chip mediante un proceso de fabricación extensible.  

“La construcción de una computadora cuántica a gran escala comienza con qubits y puertas robustos. Mostramos un sistema de dos qubits muy prometedor y presentamos sus numerosas ventajas de escalamiento. Nuestro siguiente paso es aumentar el número de qubits”, dice Leon Ding PhD ´23, estudiante de posgrado en física en el grupo de Ingeniería de Sistemas Cuánticos (EQuS) y autor principal de un artículo sobre esta arquitectura.

Ding escribió el artículo con Max Hays, un postdoctorado de EQuS; Doctorado en Youngkyu Sung ´22; Bharath Kannan PhD ´22, quien ahora es director ejecutivo de Atlantic Quantum; Kyle Serniak, científico y líder del equipo del Laboratorio Lincoln del MIT; y el autor principal William D. Oliver, profesor Henry Ellis Warren de ingeniería eléctrica, informática y física, director del Centro de Ingeniería Cuántica, líder de EQuS y director asociado del Laboratorio de Investigación de Electrónica; así como otros en el MIT y el Laboratorio Lincoln del MIT. La investigación aparece hoy en Physical Review X.

Una nueva versión del qubit de fluxonio

En una computadora clásica, las puertas son operaciones lógicas realizadas en bits (una serie de unos y ceros) que permiten el cálculo. Las puertas en la computación cuántica se pueden considerar de la misma manera: una puerta de un solo qubit es una operación lógica en un qubit, mientras que una puerta de dos qubits es una operación que depende de los estados de dos qubits conectados.

La fidelidad mide la precisión de las operaciones cuánticas realizadas en estas puertas. Las puertas con las fidelidades más altas posibles son esenciales porque los errores cuánticos se acumulan exponencialmente. Con miles de millones de operaciones cuánticas que ocurren en un sistema a gran escala, una cantidad aparentemente pequeña de error puede causar rápidamente que todo el sistema falle.

En la práctica, se utilizarían códigos de corrección de errores para lograr tasas de error tan bajas. Sin embargo, existe un “umbral de fidelidad” que las operaciones deben superar para implementar estos códigos. Además, llevar las fidelidades mucho más allá de este umbral reduce la sobrecarga necesaria para implementar códigos de corrección de errores.

Durante más de una década, los investigadores han utilizado principalmente qubits transmon en sus esfuerzos por construir computadoras cuánticas. Otro tipo de qubit superconductor, conocido como qubit de fluxonio, se originó más recientemente. Se ha demostrado que los qubits de fluxonio tienen una vida útil o tiempos de coherencia más largos que los qubits transmon.

El tiempo de coherencia es una medida de cuánto tiempo un qubit puede realizar operaciones o ejecutar algoritmos antes de que se pierda toda la información del qubit.

“Cuanto más viva un qubit, mayor será la fidelidad de las operaciones que tiende a promover. Estos dos números están unidos. Pero no ha quedado claro, incluso cuando los qubits de fluxonio funcionan bastante bien, si se pueden realizar buenas puertas en ellos”, dice Ding.

Por primera vez, Ding y sus colaboradores encontraron una manera de utilizar estos qubits de mayor duración en una arquitectura que puede soportar puertas extremadamente robustas y de alta fidelidad. En su arquitectura, los qubits de fluxonium pudieron alcanzar tiempos de coherencia de más de un milisegundo, aproximadamente 10 veces más que los qubits transmon tradicionales.

"En los últimos años, ha habido varias demostraciones de que el fluxonio supera a los transmones en el nivel de un solo qubit", dice Hays. "Nuestro trabajo muestra que este aumento del rendimiento también puede extenderse a las interacciones entre qubits".

Los qubits de fluxonio se desarrollaron en estrecha colaboración con el Laboratorio Lincoln del MIT (MIT-LL), que tiene experiencia en el diseño y fabricación de tecnologías de qubits superconductores extensibles.

"Este experimento fue un ejemplo de lo que llamamos el modelo de un equipo: la estrecha colaboración entre el grupo EQuS y el equipo de qubits superconductores del MIT-LL", dice Serniak. "Vale la pena destacar aquí específicamente la contribución del equipo de fabricación del MIT-LL: desarrollaron la capacidad de construir conjuntos densos de más de 100 uniones Josephson específicamente para fluxoniums y otros nuevos circuitos de qubits".

Una conexión más fuerte

Su novedosa arquitectura implica un circuito que tiene dos qubits de fluxonio en cada extremo, con un acoplador transmon sintonizable en el medio para unirlos. Esta arquitectura fluxonium-transmon-fluxonium (FTF) permite un acoplamiento más fuerte que los métodos que conectan directamente dos qubits de fluxonium.

FTF también minimiza las interacciones no deseadas que ocurren en segundo plano durante las operaciones cuánticas. Por lo general, los acoplamientos más fuertes entre qubits pueden generar más ruido de fondo persistente, conocido como interacciones estáticas ZZ. Pero la arquitectura FTF soluciona este problema.

La capacidad de suprimir estas interacciones no deseadas y los tiempos de coherencia más largos de los qubits de fluxonio son dos factores que permitieron a los investigadores demostrar una fidelidad de puerta de un solo qubit del 99,99 por ciento y una fidelidad de puerta de dos qubits del 99,9 por ciento.

Estas fidelidades de puerta están muy por encima del umbral necesario para ciertos códigos de corrección de errores comunes y deberían permitir la detección de errores en sistemas de mayor escala.

“La corrección de errores cuánticos aumenta la resiliencia del sistema a través de la redundancia. Al agregar más qubits, podemos mejorar el rendimiento general del sistema, siempre que los qubits sean "suficientemente buenos" individualmente. Piense en intentar realizar una tarea con una sala llena de niños de jardín de infantes. Eso es mucho caos y agregar más niños de jardín de infantes no mejorará las cosas”, explica Oliver. “Sin embargo, el trabajo conjunto de varios estudiantes graduados maduros conduce a un desempeño que supera al de cualquiera de los individuos; ese es el concepto de umbral. Si bien todavía queda mucho por hacer para construir una computadora cuántica extensible, hay que comenzar con operaciones cuánticas de alta calidad que estén muy por encima del umbral”.

A partir de estos resultados, Ding, Sung, Kannan, Oliver y otros fundaron recientemente una startup de computación cuántica, Atlantic Quantum. La empresa busca utilizar qubits de fluxonio para construir una computadora cuántica viable para aplicaciones comerciales e industriales.

“Estos resultados son inmediatamente aplicables y podrían cambiar el estado de todo el campo. Esto muestra a la comunidad que hay un camino alternativo a seguir. Creemos firmemente que esta arquitectura, o algo así que utilice qubits de fluxonio, es muy prometedor en términos de construir una computadora cuántica útil y tolerante a fallas”, dice Kannan.

Aunque todavía faltan 10 años para que exista una computadora de este tipo, esta investigación es un paso importante en la dirección correcta, añade. A continuación, los investigadores planean demostrar las ventajas de la arquitectura FTF en sistemas con más de dos qubits conectados.

“Este trabajo es pionero en una nueva arquitectura para acoplar dos qubits de fluxonio. Las fidelidades de puerta conseguidas no sólo son las mejores registradas para fluxonium, sino que también están a la par con las de transmons, el qubit actualmente dominante. Más importante aún, la arquitectura también ofrece un alto grado de flexibilidad en la selección de parámetros, una característica esencial para escalar a un procesador fluxonium multi-qubit”, dice Chunqing Deng, jefe del equipo cuántico experimental en el Laboratorio Cuántico de la Academia DAMO, la sede de Alibaba. institución de investigación global, que no participó en este trabajo. “Para aquellos de nosotros que creemos que el fluxonio es un qubit fundamentalmente mejor que el transmon, este trabajo es un hito emocionante y afirmativo. Galvanizará no sólo el desarrollo de procesadores de fluxonio sino también, de manera más general, el de qubits alternativos a los transmons”.

Este trabajo fue financiado, en parte, por la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU., el Subsecretario de Defensa para Investigación e Ingeniería de EE. UU., una beca de doctorado de IBM, la Fundación Coreana para Estudios Avanzados y el Programa de Becas para Graduados en Ciencias e Ingeniería de Defensa Nacional de EE. UU.

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