La nueva arquitectura de chip ofrece esperanza para ampliar las matrices de qubits superconductores – Physics World

Científicos estadounidenses han introducido una nueva e ingeniosa arquitectura de chip cuántico que reduce significativamente las perturbaciones causadas por las señales utilizadas para controlar los circuitos superconductores de bits cuánticos (qubit). Dirigido por Chuan Hong Liu y Roberto McDermott de la Universidad de Wisconsin, el equipo demostró que el nuevo módulo multichip (MCM) reduce los errores de puerta en casi un factor de 10 en comparación con diseños anteriores que utilizaban el mismo sistema de control, lo que lo convierte en un competidor viable de las tecnologías estándar.

De los muchos sistemas físicos que los investigadores están explorando como posibles "bloques de construcción" para una computadora cuántica escalable, el qubit superconductor se destaca por su alto tiempo de coherencia (una medida de cuánto tiempo permanece en un estado cuántico) y fidelidad (una medida de qué tan libres de errores están sus operaciones). Pero por muy poderosa que pueda ser la computación cuántica superconductora, para desbloquear todo su potencial se necesitarán más de 1 millón de qubits físicos. Esto presenta un desafío, ya que el sistema qubit superconductor exige refrigeradores criogénicos voluminosos y sofisticados aparatos de control de microondas para funcionar.

Una forma de simplificar este aparato de control sería controlar los qubits utilizando las unidades más pequeñas de campo magnético (cuantos de flujo) en lugar de microondas. Las puertas cuánticas basadas en esta tecnología de lógica digital cuántica de flujo único (SFQ), como se la conoce, utilizan una secuencia de pulsos de flujo cuantificados con una sincronización entre pulsos calibrada con precisión según el período de oscilación del qubit. Este método es energéticamente eficiente, compacto y capaz de realizar operaciones de alta velocidad, lo que lo convierte en un candidato ideal para la integración en circuitos multiqubit.

Un problema venenoso

El problema es que el circuito SFQ debe colocarse cerca de los qubits, lo que inevitablemente conduce a un fenómeno llamado envenenamiento por cuasipartículas durante la generación de pulsos. Este envenenamiento por cuasipartículas induce relajaciones, excitaciones y alteraciones no deseadas en el circuito superconductor, lo que disminuye la vida útil del qubit.

Para sortear este desafío, Liu y sus colegas adoptaron la arquitectura MCM. En esta configuración, el controlador SFQ y los circuitos qubit residen en chips separados. Estos chips se apilan uno encima del otro con un espacio de 6.4 micrómetros entre ellos y se unen mediante interconexiones conocidas como In-bumps. La separación física entre los dos chips ofrece varias ventajas. Actúa principalmente como una barrera, evitando que las cuasipartículas se disipen directamente del controlador SFQ al qubit. Además, evita que otra fuente de perturbaciones (los fonones, que son vibraciones atómicas o moleculares) viajen a través del material, ya que los enlaces In-bump ofrecen una especie de resistencia a su propagación. Gracias a esta resistencia, estas vibraciones se dispersan eficazmente y se impide que lleguen al chip qubit.

Mejora de orden de magnitud

En las pruebas iniciales de lógica digital SFQ utilizando un diseño en chip, el error promedio de la puerta del qubit fue del 9.1%. Gracias al MCM, el equipo de Liu y McDermott lo redujo al 1.2%, casi una mejora de un orden de magnitud.

Mi Qubit favorito: simulación cuántica y computación con qubits superconductores

Como objetivo futuro, los investigadores de Wisconsin y sus colegas de la Universidad de Syracuse, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, la Universidad de Colorado y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore pretenden reducir aún más las fuentes de intoxicación por cuasipartículas. Al experimentar con otros diseños adecuados y optimizar aún más los trenes de pulsos SFQ, el equipo dice que puede ser posible reducir los errores de puerta hasta un 0.1% o incluso un 0.01%, lo que convierte a SFQ en un camino prometedor para lograr escalabilidad en qubits superconductores y desbloquear la potencia de cálculo exponencial de las computadoras cuánticas tolerantes a fallas.

La investigación se publica en PRX cuántico.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/new-chip-architecture-offers-hope-for-scaling-up-superconducting-qubit-arrays/