Las computadoras cuánticas tienen un inmenso potencial para avances en campos como la ciencia de materiales y el aprendizaje automático, pero su aplicación práctica depende de su capacidad para realizar operaciones de forma rápida y precisa. Un desafío clave reside en el proceso de “lectura” – la medición del estado cuántico – que está limitado por la fuerza de la interacción entre fotones (partículas de luz) y átomos artificiales utilizados para almacenar información. Ahora, investigadores del MIT han logrado un avance significativo al demostrar un acoplamiento luz-materia dramáticamente más fuerte, lo que potencialmente allana el camino para cálculos cuánticos mucho más rápidos.
En el ámbito de las posibilidades futuras, las computadoras cuánticas tienen el potencial de revolucionar varios campos, desde la simulación de nuevos materiales hasta la aceleración de modelos de aprendizaje automático. Sin embargo, la realización de este potencial depende de la capacidad de las computadoras cuánticas para realizar operaciones a velocidades increíblemente altas. Esto se debe a que la precisión y la fiabilidad de estas máquinas se ven constantemente amenazadas por las tasas de error compuestas.
Para combatir estos errores, los científicos deben realizar mediciones y correcciones rápidas. La eficiencia de este proceso de medición, conocido como lectura (readout), está directamente relacionada con la fuerza del acoplamiento entre los fotones, que transportan la información cuántica, y los átomos artificiales, que almacenan esta información dentro de una computadora cuántica.
Ahora, un equipo de investigadores del MIT ha logrado un avance significativo en esta área. Han demostrado lo que creen que es el acoplamiento no lineal luz-materia más fuerte jamás observado en un sistema cuántico. Este logro representa un paso crucial hacia la realización de operaciones y lecturas cuánticas que podrían completarse en unos pocos nanosegundos.
Los investigadores lograron esta hazaña utilizando una nueva arquitectura de circuito superconductor. Su experimento mostró un acoplamiento no lineal luz-materia que es aproximadamente un orden de magnitud más fuerte que las demostraciones anteriores. Esta mejora podría permitir que un procesador cuántico funcione aproximadamente 10 veces más rápido.
Si bien queda un trabajo significativo por hacer antes de que esta arquitectura pueda integrarse en una computadora cuántica real, la demostración de la física subyacente es un gran paso adelante. Según Yufeng “Bright” Ye, el autor principal del artículo, este avance podría “realmente eliminar uno de los cuellos de botella en la computación cuántica”. Además, explica que la capacidad de acelerar el proceso de lectura podría acelerar el desarrollo de la computación cuántica tolerante a fallos, lo que en última instancia permitiría la realización de aplicaciones y valor del mundo real a partir de las computadoras cuánticas.
La investigación se basa en años de trabajo teórico realizado dentro del grupo O’Brien. Ye, que se unió al laboratorio como estudiante de doctorado en 2019, jugó un papel fundamental en este avance. Inventó un nuevo tipo de acoplador cuántico, un dispositivo que facilita las interacciones entre los qubits, que son los bloques de construcción fundamentales de una computadora cuántica. Este “acoplador de quartones” demostró un inmenso potencial en las operaciones y la lectura cuánticas, convirtiéndose rápidamente en un foco central de la investigación.
El acoplador de quartones es un circuito superconductor especializado diseñado para generar un acoplamiento no lineal extremadamente fuerte, un elemento crucial para ejecutar la mayoría de los algoritmos cuánticos. A medida que se introduce más corriente en el acoplador, la interacción no lineal se intensifica. En este contexto, la no linealidad significa que un sistema se comporta de una manera que es mayor que la suma de sus partes, exhibiendo propiedades más complejas.
Ye explica que “la mayoría de las interacciones útiles en la computación cuántica provienen del acoplamiento no lineal de la luz y la materia”. Aumentar la fuerza de acoplamiento y proporcionar una gama más versátil de tipos de acoplamiento puede, esencialmente, aumentar la velocidad de procesamiento de la computadora cuántica.
Para la lectura cuántica, el proceso implica hacer brillar luz de microondas sobre un qubit. El cambio de frecuencia de su resonador de lectura asociado indica entonces si el qubit está en el estado 0 o 1. El acoplamiento no lineal luz-materia entre el qubit y el resonador es esencial para esta medición.
Los investigadores del MIT diseñaron una arquitectura con un acoplador de quartones conectado a dos qubits superconductores en un chip. Un qubit actúa como resonador, mientras que el otro sirve como un átomo artificial que almacena información cuántica. Esta información se transfiere en forma de partículas de luz de microondas, conocidas como fotones. Ye enfatiza que la interacción entre estos átomos artificiales superconductores y la luz de microondas es la base sobre la cual se construye toda una computadora cuántica superconductora.
La capacidad del acoplador de quartones para crear un acoplamiento no lineal luz-materia que es un orden de magnitud más fuerte que los logros anteriores podría conducir a una lectura ultrarrápida. Esto podría permitir que un sistema cuántico realice operaciones a velocidades sin precedentes.
Kevin O’Brien, el autor principal del artículo, enfatiza que este trabajo no es el capítulo final. El equipo está trabajando activamente en la realización de una lectura aún más rápida mediante la adición de componentes electrónicos adicionales, como filtros, para crear un circuito de lectura que pueda integrarse en un sistema cuántico más grande.
Además, los investigadores también demostraron un acoplamiento materia-materia extremadamente fuerte, otro tipo de interacción de qubit fundamental para las operaciones cuánticas. Esta es otra área que planean explorar en trabajos futuros.
La importancia de las operaciones y la lectura rápidas se ve subrayada por la vida útil finita de los qubits, un concepto conocido como tiempo de coherencia. Un acoplamiento no lineal más fuerte permite que un procesador cuántico funcione más rápido y con menores tasas de error, lo que permite que los qubits realicen más operaciones en el mismo período de tiempo. Esto, a su vez, permite más rondas de corrección de errores durante su vida útil.
Ye destaca la importancia de esto, afirmando que “cuantas más ejecuciones de corrección de errores puedas obtener, menor será el error en los resultados”.
A largo plazo, esta investigación podría allanar el camino para la construcción de una computadora cuántica tolerante a fallos, que es esencial para la computación cuántica práctica a gran escala. Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Investigación del Ejército, el Centro de Computación Cuántica de AWS y el Centro de Ingeniería Cuántica del MIT.
Investigadores del MIT han logrado un avance en computación cuántica al demostrar un acoplamiento luz-materia no lineal significativamente más fuerte mediante un nuevo acoplador “quarton”. Este avance promete operaciones y lectura cuánticas mucho más rápidas, acelerando potencialmente el desarrollo de computadoras cuánticas tolerantes a fallos y desbloqueando sus aplicaciones en el mundo real. Aunque se necesita más desarrollo, este trabajo representa un paso crucial hacia la realización del potencial completo de la computación cuántica, un futuro donde los problemas complejos se vuelven resolubles.
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