La colaboración industrial marca un hito en la creación de una computadora cuántica

Computadora cuántica: uno de los obstáculos para avanzar en la búsqueda de una computadora cuántica funcional ha sido que los dispositivos de trabajo que ingresan a una computadora cuántica y hacen los cálculos reales, los qubits, hasta ahora han sido realizados por universidades y en pequeñas cantidades. Pero en los últimos años, una colaboración paneuropea, en asociación con el líder francés en microelectrónica CEA-Leti, ha estado explorando transistores cotidianos, presentes en miles de millones en todos nuestros teléfonos móviles, para su uso como qubits. La empresa francesa Leti fabrica obleas gigantes llenas de dispositivos y, después de medir, investigadores del Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague descubrieron que estos dispositivos producidos industrialmente eran adecuados como un paso para una computadora cuántica en funcionamiento. El resultado ahora se publica en Comunicaciones de la naturaleza.

Los puntos cuánticos en una matriz bidimensional son un paso adelante

Una de las principales características de los dispositivos es la matriz bidimensional de puntos cuánticos. O más precisamente, una red de dos por dos de puntos cuánticos. «Lo que hemos demostrado es que podemos lograr un control electrónico único en cada uno de estos puntos cuánticos. Esto es muy importante para el desarrollo de un qubit, porque una de las posibles formas de hacer qubits es ‘usar el espín de uno solo. Por lo tanto, lograr este objetivo de controlar electrones individuales y hacerlo en una matriz 2D de puntos cuánticos fue muy importante para nosotros ”, explica Fabio Ansaloni, ex estudiante de doctorado, ahora becario postdoctoral en el Centre des dispositivos cuánticos, NBI.

El uso de espines de electrones ha demostrado ser ventajoso para la implementación de qubits. De hecho, su naturaleza «silenciosa» hace que los giros interactúen débilmente con el entorno ruidoso, un requisito importante para los qubits de alto rendimiento.

Se ha descubierto que la extensión de los procesadores de computadora cuántica a la segunda dimensión es esencial para una implementación más eficiente de las rutinas de corrección de errores cuánticos. La corrección de errores cuánticos permitirá que las futuras computadoras cuánticas sean tolerantes a fallas contra fallas individuales de qubit durante los cálculos.

La importancia de la producción a escala industrial

La profesora asistente en el Centro de Dispositivos Cuánticos, NBI, Anasua Chatterjee agrega, “La idea original era crear una matriz de qubits de espín, cambiar a electrones individuales y ser capaz de controlarlos y moverlos. , es realmente genial. Que Leti haya podido entregar las muestras que usamos, lo que nos permitió lograr este resultado. Un gran mérito es para el consorcio de proyectos paneuropeos y la generosa financiación de la UE, que nos ayudó a pasar lentamente del nivel de un solo punto cuántico con un solo electrón a tener dos electrones, y ahora pasar a matrices bidimensionales. Las matrices bidimensionales son un objetivo muy grande, porque está empezando a verse como algo algo que es absolutamente necesario para construir un cuanto. Así que Leti ha estado involucrada en una serie de proyectos a lo largo de los años, todos los cuales han contribuido a este resultado «.

El mérito de alcanzar esta etapa pertenece a muchos proyectos en toda Europa.

El desarrollo ha sido gradual. En 2015, investigadores de Grenoble lograron hacer el primer qubit de espín, pero se basó en huecos y no en electrones. En ese momento, el rendimiento de los dispositivos fabricados en el «régimen de huecos» no era óptimo y la tecnología ha evolucionado de modo que los dispositivos actualmente en NBI pueden tener rejillas bidimensionales en el régimen de un solo electrón. El progreso es triple, explican los investigadores: “Primero, producir los dispositivos en una fundición industrial es una necesidad. La escalabilidad de un proceso industrial moderno es esencial a medida que comenzamos a fabricar matrices más grandes, por ejemplo, para pequeños simuladores cuánticos. En segundo lugar, cuando crea una computadora cuántica, necesita una matriz bidimensional y necesita una forma de conectar el mundo exterior a cada qubit. Si tiene 4-5 conexiones para cada qubit, rápidamente terminará con un número poco realista de cables, pero lo que hemos podido mostrar es que podemos tener una puerta por electrón, y puede leer y controlar con el misma puerta. Y finalmente, con estas herramientas, pudimos mover e intercambiar un solo electrón de manera controlada alrededor de la red, un desafío en sí mismo. «

Las matrices bidimensionales pueden controlar errores

La comprobación de errores en los dispositivos es un capítulo en sí mismo. Las computadoras que usamos hoy producen muchos errores, pero se corrigen mediante lo que se llama código repetido. En una computadora convencional, puede tener información en un 0 o en un 1. Para estar seguro de que el resultado de un cálculo es correcto, la computadora repite el cálculo y si un transistor comete un error, se corrige a mayoría simple. Si la mayoría de los cálculos realizados en otros transistores apuntan a 1 y no a 0, entonces se elige 1 como resultado. Esto no es posible en una computadora cuántica porque no se puede hacer una copia exacta de un qubit, por lo que la corrección de errores cuánticos funciona de una manera diferente: los qubits físicos de última generación no tienen que funcionar. aún no es una tasa de error baja, pero si se combinan suficientes en la matriz 2D, pueden controlarse entre sí, por así decirlo. Esta es otra ventaja de la matriz 2D que ahora se ha logrado.

El siguiente paso en este importante paso

El resultado del Instituto Niels Bohr muestra que ahora es posible controlar electrones individuales y realizar el experimento en ausencia de un campo magnético. Por lo tanto, el siguiente paso será buscar espines (firmas de espines) en presencia de un campo magnético. Esto será esencial para implementar una y dos puertas de qubits entre los qubits únicos de la matriz. La teoría ha demostrado que un puñado de puertas de uno y dos qubit, llamadas un conjunto completo de puertas cuánticas, son suficientes para permitir la computación cuántica universal.

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