Los cúbits salen del ultrafrío, un nuevo salto en computación cúantica

Los cúbits o bits cuánticos (análogos a los bits de la computación clásica) se pueden generar mediante circuitos superconductores, como hacen IBM y Google, o bien dentro de semiconductores como el silicio.

En cualquiera de los casos, las plataformas para crearlos necesitan enfriarse a temperaturas extremadamente bajas, ya que las vibraciones del calor alteran los cúbits e impiden un buen funcionamiento. Generalmente estos dispositivos operan a alrededor de 0,1 kelvin (-273,05 grados Celsius), lo que requiere costosísimos equipos de refrigeración.

Pero ahora dos equipos independientes de investigadores de Australia y Países Bajos presentan nuevas plataformas para producir cúbits, usando el spin de electrones confinados en silicio, y por primera vez lo hacen operando a temperaturas superiores a 1 kelvin. Los dos trabajos se publican esta semana en la revista Nature.

Según sus autores, elevar la temperatura de funcionamiento más allá de un kelvin supone un hito importante, ya que los costos del enfriamiento se reducen y mejora la eficiencia, facilitando la introducción de dispositivos electrónicos para controlar los bits cuánticos. Consideran que es un paso previo para escalar hacia los procesadores del futuro con millones de cúbits.

Además, el uso de plataformas cuánticas basadas en silicio permite integrarlas mejor con los chips convencionales, que también usan este material y que se necesitarán para controlar el procesador cuántico. 

"Nuestros resultados abren un camino desde dispositivos experimentales a computadoras cuánticas asequibles para aplicaciones empresariales y gubernamentales del mundo real", destaca el líder de uno de los trabajos, el profesor Andrew Dzurak de la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW), en Sídney.

Su equipo ha desarrollado un prototipo de procesador cuántico en un chip de silicio que funciona a 1,5 kelvin, una temperatura 15 veces mayor que la empleada en la tecnología de la competencia desarrollada por compañías como Google e IBM con cúbits superconductores.

"Todavía es muy fría, pero se puede alcanzar utilizando solo unos pocos miles de dólares en refrigeración, en lugar de los millones de dólares necesarios para enfriar chips a 0,1 kelvin", explica Dzurak, “no es fácil apreciar esto con nuestros conceptos cotidianos de temperatura, pero este aumento es extremo en el mundo cuántico".

El equipo de este investigador presentó sus resultados en febrero de 2019 a través de un archivo académico de preimpresión, y después, en octubre de 2019, el grupo de los Países Bajos dirigido por un exinvestigador posdoctoral del grupo de Dzurak, Menno Veldhorst, anunció un resultado similar y nuevos avances utilizando la misma tecnología de los australianos.  

Veldhorst es el autor principal del segundo artículo de Nature, donde científicos de QuTech (una colaboración neerlandesa entre la Universidad Tecnológica de Delft y la organización TNO), junto a miembros de Intel, informan de que han podido realizar cálculos con dos cúbits en silicio a 1,1 kelvin.

“Esta es la primera vez que podemos presentar cúbits que son ‘calientes’, densos y coherentes”, destaca Veldhorst, “es decir, estamos hablando de cúbits compactos que funcionan con alta calidad a una temperatura relativamente alta, algo que es crucial para aplicaciones prácticas”.

Estos investigadores trabajan ahora en un sistema que contenga cada vez más cúbits y de mejor calidad, con la idea de integrar hardware cuántico y clásico en un solo chip.

Veldhorst adelanta cómo podría avanzar este campo en los próximos años: “En 2015 presentamos dos cúbits verificables en silicio por primera vez. Ahora, en 2020, hemos logrado la misma hazaña a temperaturas prácticas. En otros cinco años es posible que ya tengamos circuitos integrados cuánticos. Ese sería un gran paso hacia el futuro ordenador cuántico".

Investigadores del grupo neerlandés de Menno Veldhorst en acción . / Wouterslitsfotografie for QuTech.