Expertos de la Universidad de Cornell prevén hacer cuántico práctico

La realidad, al menos como la conocemos, es tan profunda. Mire de cerca cualquier objeto, hasta el nivel de las moléculas y los átomos, y el mundo comienza a jugar según sus propias reglas. Este es el reino de la física cuántica: donde las ondas de energía y las partículas son lo mismo, y los fenómenos extraños como la teletransportación son la norma. Estos rasgos enigmáticos podrían ser la clave para nuevas computadoras y componentes electrónicos revolucionarios. En lugar de usar transistores de silicio, como una computadora tradicional o un circuito integrado, los dispositivos cuánticos se basan en partículas subatómicas como medio para enrutar y procesar información, haciéndolos más rápidos y poderosos que cualquier otro hardware electrónico que podamos imaginar actualmente. Tres nuevos profesores de la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática de Cornell están trabajando para hacer que los dispositivos cuánticos sean prácticos y escalables. El profesor asistente Karan Mehta, junto con el profesor asistente Mohamed Ibrahim y el profesor asociado Mark Wilde, van mucho más allá de la física aplicada en su trabajo, incorporando elementos de diseño de circuitos, fotónica, arquitectura de sistemas, teoría de la información y otros campos para hacer realidad las computadoras cuánticas. Atrapar iones Mehta, por ejemplo, estudia un componente básico de las computadoras cuánticas: un componente especializado llamado "qubit de iones atrapados". Es esencialmente un solo átomo suspendido en el vacío por campos eléctricos y controlado con láseres. Al usar esos láseres para manipular el giro y la carga de los átomos, es posible "programarlos" para ejecutar algoritmos simples. Sin embargo, como con cualquier componente electrónico, estos qubits tienen ventajas y desventajas, señala Mehta. Una ventaja es que cada ion está suspendido en el espacio y aislado de otros átomos, lo que significa que está expuesto a muy poca interferencia o ruido. Pero controlar estos cúbits es complicado y, a medida que los sistemas se hacen más y más grandes, otras fuentes de ruido pueden colarse en el sistema, impidiendo que funcione sin problemas. Deshacerse de ese ruido es una parte fundamental de la construcción de una computadora cuántica útil, que requeriría miles o incluso millones de qubits". el espacio se vuelve muy difícil", dice Mehta. "Cada vez que agregue más qubits al sistema, la complejidad del aparato de control introducirá más errores y ruido potenciales". En la computación cuántica, ese ruido puede codificar la salida de una máquina. Cuando aparecen vibraciones diminutas, calor o cualquier otra cosa que perturbe aleatoriamente un ion atrapado, los qubits pierden un rasgo crítico llamado superposición, un fenómeno en el que los electrones existen en múltiples estados a la vez, lo que permite a los programadores ejecutar diferentes iteraciones de un problema al mismo tiempo. Sin embargo, si hay algún ruido presente, esa superposición colapsará prematuramente, creando errores en el cálculo. Mehta está tratando de sortear esta limitación mediante el uso de dispositivos de estado sólido para manipular y detectar el estado de cada qubit. Él piensa que usar pulsos de luz entregados a qubits y recolectados en dispositivos de control basados ​​en chips basados ​​en fibra óptica puede ser la clave para sistemas cuánticos limpios y de bajo ruido. Dichos sistemas podrían permitir sistemas a gran escala y también reducir significativamente el exceso de ruido, haciendo que los qubits sean más estables. "Desde una perspectiva de ingeniería, eso puede abordar el problema del elefante en la habitación, que es el desafío de controlar estos sistemas cuánticos, que de otro modo serían prístinos", dice. "La idea es aprovechar las ventajas fundamentales de los sistemas cuánticos extremadamente limpios y de bajo ruido, junto con hardware escalable". Sistemas cuánticos en chipIbrahim está de acuerdo con esa evaluación. Está trabajando en sistemas cuánticos escalables a escala de chip en su laboratorio utilizando los minúsculos y avanzados circuitos integrados (CI) actuales. Ibrahim está desarrollando sensores cuánticos integrados utilizando una forma especializada de cristales de diamante. En lugar de carbono puro, estos diamantes están sembrados con átomos de nitrógeno. Cuando se combina con un sitio vacante, cada átomo de nitrógeno introduce un centro de vacante de nitrógeno (NV) con nuevas propiedades únicas. Al exponer estos cristales a un barrido ascendente de energía de microondas y pulsos de luz verde, dice, comienzan a brillar en rojo fluorescente con intensidad dependiendo de los estados de espín de los electrones de los centros NV, y al registrar las frecuencias exactas en las que se produce una caída en la intensidad de la fluorescencia, Ibrahim puede rastrear la temperatura y medir la intensidad de los campos magnéticos y eléctricos que rodean el sensor. Aunque esta es una propiedad bien conocida, Ibrahim está trabajando para combinar todos los elementos involucrados en un solo dispositivo miniaturizado a escala de chip, incluida la fuente de radio de microondas en el chip y los circuitos de detección de luz roja. Estos están empaquetados conjuntamente con una red de cristal de diamante y un emisor de láser verde. Los circuitos integrados como estos, dice, podrían tener todo tipo de aplicaciones diferentes, desde la navegación global hasta la detección de señales bioeléctricas en el corazón y el cerebro, pero Ibrahim dice que también está interesado en construir controladores integrados para computadoras cuánticas, donde podrían ayudar a resolver un antiguo problema". Los qubits deben mantenerse en un refrigerador criogénico. Para enviar señales entre esos entornos ultra fríos y las computadoras clásicas que qubits, actualmente usamos cables, lo que limita la escalabilidad a miles de qubits", dice. Mediante el uso de circuitos integrados criogénicos como intermediario, que funcionan a unos pocos Kelvin, es posible construir controladores de múltiples qubits que puedan escalar a una mayor cantidad de qubits de manera mucho más eficiente". se realiza actualmente con cables coaxiales conductores. Dado que estos cables también son térmicamente conductores, en realidad podemos perder energía a lo largo de ellos del orden de unos pocos milivatios", dice. Ibrahim está trabajando en transceptores eficientes que pueden resolver este problema mediante la comunicación inalámbrica o cables con muy baja conductividad térmica, como las fibras ópticas. La utilización de circuitos integrados para desarrollar nuevas arquitecturas para interconectar o controlar directamente los cúbits haría posible aumentar su número, lo que permitiría la era de las computadoras cuánticas a gran escala. no llegará muy lejos a menos que descubramos las formas más efectivas de usarlo, un área que Wilde está estudiando activamente. Mientras sus colegas de la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática están desarrollando nuevo hardware y software para hacer realidad estos dispositivos, Wilde está dirigiendo su atención a la teoría de la información cuántica, o los algoritmos complejos que se utilizan para procesar la información dentro de ese dispositivo. dice, las computadoras cuánticas son mucho menos sencillas que los dispositivos de silicio clásicos. Una computadora clásica con dos bits, cada uno tomando valores cero y uno, puede generar cuatro combinaciones diferentes de esos números (00, 01, 10 y 11), pero solo puede calcular uno a la vez. Una computadora cuántica, por otro lado, puede explorar las cuatro respuestas posibles a la vez y, como resultado, requiere métodos de programación completamente nuevos". ; para eliminarlos de la computación como podar un árbol, y luego amplificar los caminos que conducirán a una solución correcta cuando finalmente la mida", dice Wilde. Dado que el ruido en el sistema cuántico introducirá errores durante ese proceso de poda, Wilde está trabajando en formas de corregir esas instancias y garantizar que las fallas ruidosas no distorsionen la salida de la computadora. Una técnica, señala, es hacer que los algoritmos cuánticos sean lo más eficientes posible, reduciendo la cantidad de tiempo que tardan en ejecutarse y limitando las posibilidades de que los qubits se corrompan por el ruido a medida que se produce el cálculo. Aunque está trabajando en nuevas formas de construir algoritmos cuánticos, el trabajo de Wilde no se centra completamente en soluciones prácticas. También intenta resolver acertijos con una inclinación más filosófica. "Quiero comprender los límites últimos de la comunicación", dice. "En cada tarea de comunicación, necesitará realizar algún tipo de cálculo en cada extremo, y en cada tarea de cálculo, tendrá que comunicarse entre qubits dentro de la computadora, por lo que el cálculo y la comunicación están inevitablemente entrelazados, y nunca podrás separarlos". Con eso en mente, pregunta, ¿cuáles son los límites físicos de esos procesos? ¿Y hasta dónde podemos llevarlos? Estas preguntas no son solo experimentos mentales abstractos; son el pan y la mantequilla del trabajo que Wilde y sus colegas están haciendo actualmente. Con el tiempo, la investigación interdisciplinaria que surge de sus laboratorios puede revolucionar la informática y la ingeniería eléctrica en su conjunto, abriendo un sinfín de nuevas posibilidades basadas en la física cuántica.