Los ingenieros de la Universidad de Nueva Gales del Sur de Australia han inventado una nueva arquitectura radical para la computación cuántica, basada en novedosos 'qubits flip-flop', que promete hacer que la fabricación a gran escala de chips cuánticos sea dramáticamente más barata y más fácil.de lo que se creía posible.
El nuevo diseño del chip, detallado en el diario Comunicaciones de la naturaleza , permite un procesador cuántico de silicio que se puede ampliar sin la colocación precisa de átomos necesarios en otros enfoques. Es importante destacar que permite bits cuánticos o 'qubits', la unidad básica de información en una computadora cuántica.se colocarán a cientos de nanómetros de distancia y seguirán acoplados
El diseño fue concebido por un equipo dirigido por Andrea Morello, Gerente de Programa en el Centro de Excelencia ARC de la UNSW para la Tecnología de Computación y Comunicación Cuántica CQC2T en Sydney, quien dijo que la fabricación del nuevo diseño debería estar fácilmente al alcance de los actualestecnología.
El autor principal Guilherme Tosi, investigador asociado de CQC2T, desarrolló el concepto pionero junto con Morello y los coautores Fahd Mohiyaddin, Vivien Schmitt y Stefanie Tenberg de CQC2T, con los colaboradores Rajib Rahman y Gerhard Klimeck de la Universidad de Purdue en los EE. UU.
"Es un diseño brillante, y como muchos de estos saltos conceptuales, es sorprendente que nadie lo haya pensado antes", dijo Morello.
"Lo que Guilherme y el equipo han inventado es una nueva forma de definir un 'qubit giratorio' que usa tanto el electrón como el núcleo del átomo. Crucialmente, este nuevo qubit se puede controlar usando señales eléctricas, en lugar de magnéticas.Las señales eléctricas son significativamente más fáciles de distribuir y localizar dentro de un chip electrónico ".
Tosi dijo que el diseño esquiva un desafío que se esperaba que enfrentaran todos los qubits de silicio basados en espín a medida que los equipos comienzan a construir conjuntos cada vez más grandes de qubits: la necesidad de espaciarlos a una distancia de solo 10-20 nanómetros, o solo 50 átomosaparte.
"Si están demasiado cerca o demasiado separados, el 'enredo' entre bits cuánticos, que es lo que hace que las computadoras cuánticas sean tan especiales, no ocurre", dijo Tosi.
Los investigadores de UNSW ya lideran el mundo en la fabricación de qubits de spin a esta escala, dijo Morello. "Pero si queremos hacer un conjunto de miles o millones de qubits tan juntos, significa que todas las líneas de control, la electrónica de controly los dispositivos de lectura también deben fabricarse a esa escala nanométrica, y con ese paso y esa densidad de electrodos. Este nuevo concepto sugiere otra vía ".
En el otro extremo del espectro están los circuitos superconductores, perseguidos, por ejemplo, por IBM y Google, y las trampas de iones. Estos sistemas son grandes y más fáciles de fabricar, y actualmente lideran la cantidad de qubits que pueden serSin embargo, debido a sus dimensiones más grandes, a la larga pueden enfrentar desafíos al tratar de ensamblar y operar millones de qubits, como lo requieren los algoritmos cuánticos más útiles.
"Nuestro nuevo enfoque basado en silicio se encuentra justo en el punto óptimo", dijo Morello, profesor de ingeniería cuántica en UNSW. "Es más fácil de fabricar que los dispositivos a escala atómica, pero aún nos permite colocar un millón de qubits en unmilímetro cuadrado "
En el qubit de un solo átomo utilizado por el equipo de Morello, y al que se aplica el nuevo diseño de Tosi, un chip de silicio está cubierto con una capa de óxido de silicio aislante, sobre el cual descansa un patrón de electrodos metálicos que funcionan a temperaturas cercanas al cero absolutoy en presencia de un campo magnético muy fuerte.
En el núcleo hay un átomo de fósforo, del cual el equipo de Morello ha construido previamente dos qubits funcionales utilizando un electrón y el núcleo del átomo. Estos qubits, tomados individualmente, han demostrado tiempos de coherencia récord mundial.
El avance conceptual de Tosi es la creación de un tipo completamente nuevo de qubit, utilizando tanto el núcleo como el electrón. En este enfoque, un estado qubit '0' se define cuando el espín del electrón está hacia abajo y el espín del núcleo está hacia arriba, mientras que el estado '1' es cuando el giro del electrón está arriba y el giro nuclear está abajo.
"Lo llamamos el qubit 'flip-flop'", dijo Tosi. "Para operar este qubit, necesitas alejar un poco el electrón del núcleo, usando los electrodos en la parte superior. Al hacerlo,también crea un dipolo eléctrico ".
"Este es el punto crucial", agrega Morello. "Estos dipolos eléctricos interactúan entre sí a distancias bastante grandes, una buena fracción de micras o 1,000 nanómetros".
"Esto significa que ahora podemos colocar los qubits de un solo átomo mucho más separados de lo que se creía posible", continuó. "Por lo tanto, hay mucho espacio para intercalar los componentes clásicos clave como interconexiones, electrodos de control y dispositivos de lectura, mientras queconservando la naturaleza precisa del átomo del bit cuántico "
Morello llamó al concepto de Tosi tan significativo como el artículo seminal de 1998 de Bruce Kane Naturaleza . Kane, entonces investigador asociado de UNSW, se encontró con una nueva arquitectura que podría hacer realidad una computadora cuántica basada en silicio, lo que desencadenó la carrera de Australia para construir una computadora cuántica.
"Al igual que el artículo de Kane, esta es una teoría, una propuesta: el qubit aún no se ha construido", dijo Morello. "Tenemos algunos datos experimentales preliminares que sugieren que es completamente factible, por lo que estamos trabajando para demostrarlo completamente".. Pero creo que esto es tan visionario como el artículo original de Kane ".
La construcción de una computadora cuántica se ha denominado la 'carrera espacial del siglo XXI', un desafío difícil y ambicioso con el potencial de ofrecer herramientas revolucionarias para abordar cálculos que de otro modo serían imposibles, con una gran cantidad de aplicaciones útiles en salud, defensa, finanzas, química y desarrollo de materiales, depuración de software, aeroespacial y transporte.Su velocidad y potencia radican en el hecho de que los sistemas cuánticos pueden albergar múltiples 'superposiciones' de diferentes estados iniciales, y en el espeluznante 'enredo' que solo ocurre en el nivel cuántico.partículas fundamentales.
"Se necesitará una gran ingeniería para llevar la computación cuántica a la realidad comercial, y el trabajo que vemos de este equipo extraordinario pone a Australia en el asiento del conductor", dijo Mark Hoffman, Decano de Ingeniería de UNSW. "Es un gran ejemplo de cómo UNSW, como muchas de las principales universidades de investigación del mundo, se encuentra hoy en el corazón de un sofisticado sistema de conocimiento global que está dando forma a nuestro futuro ".
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Materiales proporcionado por Universidad de Nueva Gales del Sur . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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