Los científicos dicen que han alcanzado «un punto de inflexión crítico» después de desarrollar una tecnología que hace que los procesadores cuánticos basados en silicio sean más viables.
La empresa de computación cuántica Equal1 ha creado una unidad de procesamiento cuántico (QPU) que se puede construir mediante procesos de fabricación de semiconductores convencionales. Esto anula la complejidad y el gasto que normalmente implica la producción de procesadores cuánticos utilizando materiales exóticos o técnicas complicadas.
La compañía también ha desarrollado lo que sus representantes llamaron «el chip controlador cuántico más complejo desarrollado hasta la fecha». Esto puede funcionar a temperaturas ultrabajas y allana el camino para millones de qubits en un solo chip, lo que significa que puede manejar una gran cantidad de bits cuánticos de información simultáneamente, manteniéndolos estables y precisos para los cálculos.
Por el contrario, los chips cuánticos más potentes de la actualidad solo albergan miles de qubits y están construidos con superconductores, todos los cuales requieren enfriamiento hasta casi el cero absoluto para poder realizar cálculos cuánticos.
Combinadas, las nuevas tecnologías «allanan el camino para la siguiente fase de computación cuántica y demostrar que la forma más rápida de escalar es aprovechar la infraestructura de silicio existente», dijeron representantes de Equal1 en un declaración.
Impracticabilidad cuántica
La construcción de chips cuánticos es un proceso notoriamente difícil y costoso. A diferencia de los chips de computadora normales, que dependen de bits binarios para procesar información como unos o ceros, los chips cuánticos utilizan qubitsque se basan en los principios de mecánica cuántica.
Los qubits tienen propiedades especiales que les permiten existir en múltiples estados simultáneamente (un fenómeno llamado superposición) y trabajar juntos de maneras que los bits tradicionales no pueden a través de un proceso llamado enredo. El procesamiento paralelo resultante permite a las computadoras cuánticas resolver problemas que van mucho más allá de las capacidades de los sistemas clásicos.
Sin embargo, los qubits son increíblemente frágiles. Sólo funcionan cuando se mantienen en un estado de coherencia, lo que significa que mantienen su estado cuántico el tiempo suficiente para realizar cálculos. La coherencia se ve fácilmente alterada por factores ambientales como cambios de temperatura o ruido electromagnético; de ahí la necesidad de temperaturas extremadamente bajas para evitar interferencias.
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Normalmente, los chips cuánticos también se fabrican con materiales exóticos o personalizados, como metales superconductores, que requieren procesos de fabricación costosos y complejos. La innovación de Equal1 es el uso de silicio, uno de los materiales más abundantes y utilizados en la industria de los semiconductores.
El silicio proporciona un entorno estable para los qubits, especialmente cuando se utiliza una mezcla de materiales llamada germanio silicio (SiGe). En un estudio publicado el 2 de diciembre en la base de datos preimpresa arXivLos científicos de Equal1 explicaron que SiGe combina la estabilidad del silicio con la capacidad del germanio para mejorar el rendimiento electrónico, lo que lo hace muy adecuado para aplicaciones cuánticas. Más importante aún, los chips de SiGe se pueden producir utilizando los mismos procesos y fábricas que ya se utilizan para fabricar chips de computadora tradicionales, lo que podría generar procesadores cuánticos. más barato y más fácil de escalar.
Los representantes de Equal1 dijeron que su matriz SiGe de 6 qubits, que es la parte del chip donde se crean y controlan los qubits, había sido pionero en dos áreas clave: la precisión de las operaciones de la puerta cuántica y la velocidad a la que se realizan esas operaciones.
Específicamente, el chip demostró una fidelidad de puerta de un solo qubit del 99,4% con una velocidad de operación de 84 nanosegundos y una fidelidad de puerta de dos qubit del 98,4% con una velocidad de 72 nanosegundos. La alta precisión o fidelidad de las puertas cuánticas minimiza los errores en los cálculos, mientras que velocidades de puerta más rápidas reducen el riesgo de que los qubits pierdan sus propiedades cuánticas durante las operaciones. Estos factores determinar la precisión de los cálculos cuánticos y la capacidad de los qubits para mantener sus estados cuánticos el tiempo suficiente para completar operaciones complejas.
«Este resultado demuestra el enorme beneficio de los qubits de silicio: la capacidad de lograr el rendimiento necesario para escalar en dos áreas clave: la fidelidad y la velocidad de las puertas cuánticas». dijo en el comunicado Nodar Samkharadze, arquitecto cuántico jefe de Equal1.
Dándole un giro
Para garantizar operaciones cuánticas confiables, el dispositivo de Equal1 utiliza «qubits de espín». Los qubits de espín codifican información en el estado de espín de un electrón. En su estudio, los científicos dijeron que los qubits de espín son particularmente adecuados para la integración con el silicio porque el silicio proporciona un entorno estable para los espines de los electrones. Esto reduce el riesgo de que los qubits pierdan sus delicadas propiedades cuánticas debido a la interferencia de su entorno.
Equal1 también desarrolló un chip controlador cuántico que utiliza una arquitectura de múltiples mosaicos; este diseño divide un chip en múltiples mosaicos que pueden funcionar de forma semiindependiente. Esta arquitectura es clave para escalar los sistemas cuánticos porque permite distribuir las funciones de control por todo el chip, evitando los cuellos de botella que pueden ocurrir al depender de una única unidad de procesamiento.
El controlador funciona a 300 mikelvin, una temperatura justo por encima cero absoluto – lo que le permite gestionar eficazmente los qubits manteniendo las condiciones necesarias para la coherencia. Los representantes de Equal1 dijeron que el controlador también cuenta con tecnología de corrección de errores impulsada por inteligencia artificial (IA), que permite ajustes en tiempo real que mantienen la estabilidad y precisión de las operaciones cuánticas.
«Hoy marca un punto de inflexión crítico para Equal1 y la industria de la computación cuántica», añadió en el comunicado Elena Blokhina, directora científica de la compañía. «Equal1 siempre ha creído que el silicio es el vehículo para escalar las computadoras cuánticas y hoy, con estos resultados de chips de control y qubits líderes en el mundo, hemos dado un paso importante hacia esta visión».
