Nueva arquitectura revolucionaria para la computación cuántica

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Un equipo de ingenieros de la Universidad de Nueva Gales del Sur (Australia) ha desarrollado una nueva arquitectura para la computación cuántica que podría hacer posible la fabricación de chips cuánticos más baratos, escalables sencillos de producir.​

Pero empecemos por el principio: como ya sarás, la computación cuántica se basa en el uso de bits cuánticos o qubits, la unidad fundamental de la información cuántica, que se construye a mediante partículas que tienen un comportamiento cuántico. A diferencia de los bits convencionales que se basan en el lenguaje binario para realizar sus procesos, el qubit utiliza el modelo de los estados del átomo, que puede adoptar un estado de 0 y de uno, pero también los dos simultáneamente. Por este motivo, un qubit es capaz de procesar mucha más información que un bit. 

El ordenador cuántico tiene que ser construido utilizando muchos qubits, todos controlados individualmente y entrelazados entre ellos en una gran red para realizar los cálculos cuánticos. En la actualidad, el espacio que tiene que haber entre un qubit y otro tiene que ser de escasos nanómetros, ya que de lo contrario no se pueden entrelazar. Esto obliga a que los demás componentes, como la electrónica de control y los dispositivos de lectura, estén fabricados también a escala nanométrica. 

Qubits

Así funciona el flip-flop qubit

Y es en este punto donde entra la innovación que han presentado estos ingenieros, liderados Andrea Morello y Guilherme Tosi. El equipo ha diseñado un nuevo qubit revolucionario, llamado flip-flop qubit, que promete hacer posible la fabricación de procesadores cuánticos más baratos y fáciles de producir. 

El nuevo diseño ha establecido el récord para qubits aislados en estado sólido. Se compone de átomos individuales de fósforo, implantados en un chip de silicio muy parecido al de los ordenadores actuales. Esta configuración hace posible que un procesador cuántico de silicio pueda ampliarse sin la colocación precisa de átomos requerida en otros enfoques. Además, permite que los bits cuánticos se ubiquen a cientos de nanómetros de distancia y permanezcan entrelazados.

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El equipo ha creado qubits del electrón y del núcleo del átomo de fósforo. Aunque normalmente habría que colocarlos a unos pocos átomos de distancia para los electrones se toquen y realicen los cálculos cuánticos, los investigadores han descubierto que esto no es necesario, y este hallazgo es lo que hace revolucionaria la nueva arquitectura.

Los qubits se pueden comunicar a unas distancias mucho más largas si se codifica la información en el estado cuántico conjunto del electrón y del núcleo, lo que han llamado flip-flop qubit o qubit oscilante. La ventaja de esta técnica reside en que el qubit puede ser controlado mediante señales eléctricas en lugar de magnéticas, que son más fáciles de distribuir y localizar dentro de un chip electrónico, y crean un campo eléctrico que alcanza largas distancias.

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De esta forma, es posible diseñar un ordenador cuántico a gran escala donde haya espacio suficiente para poner interconexiones, líneas de control y dispositivos de lectura sin tener que fabricar componentes a escala atómica. Los flip-flop qubits permitirán fabricar cadenas largas de qubits sin tener que superar los límites de fabricación de dispositivos electrónicos convencionales. Es una manera más rápida y económica de construir un ordenador cuántico que sea lo suficientemente grande para empezar a tener impacto en el mundo.

El equipo liderado por Morello y Tosi ha llegado a un acuerdo con el gigante de telecomunicaciones Telstra y el gobierno australiano para desarrollar un circuito de 10 qubits cuánticos integrados en silicio, que es el primer paso para la construcción del primer ordenador cuántico de silicio del mundo. El prototipo estará listo para el año 2022.