Un nuevo tipo de qubit relanza el ordenador cuántico

Investigadores de la Universidad de Nueva Gales del Sur (Australia) y de la Universidad de Purdue (EE. UU.) han desarrollado una nueva arquitectura de computación cuántica basada en un nuevo concepto del “qubit” que permitirá la fabricación a gran escala de chips cuánticos mucho más baratos y de forma más sencilla.

Un qubit ​ (del inglés quantum bit, o sea bit cuántico) es un sistema cuántico con dos estados propios que puede ser manipulado arbitrariamente. Se trata de un sistema que solo puede ser descrito correctamente mediante la mecánica cuántica, y que solamente tiene dos estados bien distinguibles mediante medidas físicas.

También se entiende por qubit la información que contiene ese sistema cuántico de dos estados posibles. En esta acepción, el qubit es la unidad mínima y por lo tanto constitutiva de la teoría de la información cuántica. Es un concepto fundamental para la computación cuántica y para la criptografía cuántica, el análogo cuántico del bit en informática.

El nuevo diseño de qubit desarrollado en el marco de la nueva investigación está basado en un sistema 'flip-flop' (basculante) que funciona sin necesidad de colocar los átomos en una posición muy estricta, como ocurre con otros chips. Así, este innovador diseño facilita que los qubits estén entrelazados a distancias de hasta cientos de nanómetros.

"Lo que este equipo ha inventado es una nueva forma de definir un qubit de spin que usa tanto el electrón como el núcleo del átomo, lo que es crucial para controlar las señales eléctricas en lugar de las magnéticas que son significativamente más fáciles de distribuir y localizar dentro de un chip electrónico", explica Guilherme Tosi,  investigador principal del estudio, en un comunicado.

Superado el tamaño

De esta forma, se ha logrado superar uno de los problemas que presentan los ordenadores cuánticos: el tamaño. El nuevo diseño del qubit permite el entrelazamiento cuántico a nuevas distancias, ya que hasta ahora  si los qubits están demasiado cerca o demasiado lejos entre sí, no se produce el entrelazamiento que permite la comunicación cuántica.

El entrelazamiento es un fenómeno cuántico, sin equivalente clásico, en el cual los estados cuánticos de dos o más objetos se deben describir mediante un estado único que involucra a todos los objetos del sistema, aún cuando los objetos estén separados espacialmente.

El entrelazamiento es la base de tecnologías en fase de desarrollo, tales como la computación cuántican o la criptografía cuántica, y se ha utilizado con éxito también en experimentos de teleportación cuántica.

Al superar el problema de la distancia, se abre la posibilidad de acumular miles o incluso millones de qubits en un reducido espacio y entrelazarlos cuánticamente en pocos nanómetros de espacio.

De momento se trata sólo de un diseño desarrollado por un equipo liderado por Andrea Morello, Gerente del Centro de Computación Cuántica y Tecnología de la Comunicación (CQC2T) en Sídney. Según Morello, "si queremos hacer una matriz de miles o millones de qubits, significa que todas las líneas de control, la electrónica de control y los dispositivos de lectura también deben fabricarse a esa escala nanométrica, y con ese tono y esa densidad. Este nuevo concepto sugiere otro camino", aclara Morello.

Estos científicos, a partir de datos experimentales preliminares, consideran que es totalmente factible materializar este revolucionario diseño, así que "estamos trabajando para demostrarlo completamente". De hecho, el equipo de la Universidad de Nueva Gales del Sur de Australia ha llegado a un acuerdo de 83 millones de dólares con el gigante de las telecomunicaciones Telstra, el Commonwealth Bank de Australia y los gobiernos de Australia y Nueva Gales del Sur para desarrollar, para el año 2022, un circuito integrado cuántico de silicio de 10 qubits.

Referencia

Silicon quantum processor with robust long-distance qubit couplings. Nature Communications 8, Article number: 450 (2017). DOI: 10.1038/s41467-017-00378-x