Agencias/Ciudad de México.- Investigadores de la Universidad de Basilea han abierto la posibilidad de integrar millones de qubits en un solo chip con procesos ya consolidados en la industria microelectrónica.

La carrera para construir una computadora cuántica práctica está en marcha. Investigadores de todo el mundo están trabajando en una gran variedad de tecnologías qubit. Hasta el momento, no hay consenso sobre qué tipo de qubit es el más adecuado para maximizar el potencial de la ciencia de la información cuántica.

Los qubits son la base de una computadora cuántica: se encargan del procesamiento, la transferencia y el almacenamiento de datos. Para funcionar correctamente, deben almacenar información de forma fiable y procesarla rápidamente. La base para el procesamiento rápido de la información son las interacciones estables y rápidas entre una gran cantidad de qubits cuyos estados pueden controlarse de forma fiable desde el exterior.

Para que una computadora cuántica sea práctica, se deben acomodar millones de qubits en un solo chip. Las computadoras cuánticas más avanzadas hoy en día tienen solo unos pocos cientos de qubits, lo que significa que solo pueden realizar cálculos que ya son posibles (y a menudo más eficientes) en las computadoras convencionales.

Para resolver el problema de ordenar y vincular miles de qubits, investigadores de la Universidad de Basilea y del National Center of Competence in Research (NCCR) SPIN de Suiza se basan en un tipo de qubit que utiliza el espín (momento angular intrínseco) de un electrón o de un hueco. Un agujero es esencialmente un electrón faltante en un semiconductor. Tanto los huecos como los electrones poseen espín, que puede adoptar uno de dos estados: arriba o abajo, análogo a 0 y 1 en los bits clásicos. En comparación con el espín de un electrón, el espín de un agujero tiene la ventaja de que puede controlarse completamente eléctricamente sin necesidad de componentes adicionales como microimanes en el chip.

Ya en 2022, los físicos de Basilea pudieron demostrar que los agujeros que giran en un dispositivo electrónico existente pueden atraparse y utilizarse como qubits. Estos “FinFET” (transistores de efecto de campo de aletas) están integrados en los teléfonos inteligentes modernos y se producen en procesos industriales generalizados. Ahora, un equipo dirigido por el Dr. Andreas Kuhlmann ha logrado por primera vez lograr una interacción controlable entre dos qubits dentro de esta configuración.

Una computadora cuántica necesita “puertas cuánticas” para realizar cálculos. Estos representan operaciones que manipulan los qubits y los acoplan entre sí. Como informan los investigadores en la revista Nature Physics, pudieron acoplar dos qubits y provocar un giro controlado de uno de sus espines, dependiendo del estado del giro del otro, conocido como giro de espín controlado. “Los espines de agujeros nos permiten crear puertas de dos qubits que son rápidas y de alta fidelidad. Este principio permite ahora también acoplar un mayor número de pares de qubits”, afirma Kuhlmann en un comunicado.

El acoplamiento de dos qubits de espín se basa en su interacción de intercambio, que se produce entre dos partículas indistinguibles que interactúan entre sí de forma electrostática. Sorprendentemente, la energía de intercambio de los agujeros no sólo es controlable eléctricamente, sino que además es fuertemente anisotrópica. Esto es una consecuencia del acoplamiento espín-órbita, lo que significa que el estado de espín de un agujero está influenciado por su movimiento a través del espacio.

Para describir esta observación en un modelo, físicos experimentales y teóricos de la Universidad de Basilea y el NCCR SPIN combinaron fuerzas. “La anisotropía hace posibles puertas de dos qubits sin el equilibrio habitual entre velocidad y fidelidad”, resume el Dr. Kuhlmann.

“Los qubits basados en espines de agujeros no sólo aprovechan la fabricación probada de chips de silicio, sino que también son altamente escalables y han demostrado ser rápidos y robustos en experimentos”, añade. El estudio subraya que este enfoque tiene grandes posibilidades en la carrera por desarrollar una computadora cuántica a gran escala.

Identifican el fuerte SOI como el principal origen microscópico de esta anisotropía y proponen un procedimiento simple para determinar la matriz de intercambio. Este esquema de medición y análisis se aplica a una amplia variedad de dispositivos, por ejemplo, a qubits de espín electrónico con SOI sintético en presencia de un gradiente de campo magnético. Al caracterizar completamente el hamiltoniano de los dos espines acoplados, se puede identificar la mejor configuración posible para implementar puertas de dos qubits. Un intercambio fuertemente anisotrópico da como resultado puntos óptimos extendidos en la orientación del campo magnético, donde se pueden realizar CROT tanto rápidos como de alta fidelidad.

Se necesitan mejoras futuras en la fabricación de dispositivos, asistidas por una caracterización de gran volumen, para reducir la variabilidad de los dispositivos. Los dispositivos de baja variabilidad, combinados con puntos óptimos CROT robustos, harán que las operaciones de puerta de dos qubits con intercambio anisotrópico sean muy atractivas para matrices de qubits a gran escala. Los conceptos presentados aquí son, en principio, compatibles con temperaturas elevadas, pero actualmente falta una confirmación experimental. Los avances aquí presentados, si se pueden combinar con una lectura rápida y un funcionamiento por encima de 1 K, mostrarían que la tecnología industrial FinFET tiene un gran potencial para realizar un procesador cuántico universal, integrado en el mismo chip con la electrónica de control clásica.

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