En el futuro, las computadoras cuánticas podrían simular rápidamente nuevos materiales o ayudar a los científicos a desarrollar modelos más rápidos de aprendizaje automático, abriendo la puerta a muchas posibilidades nuevas.
Pero estas aplicaciones solo serán posibles si las computadoras cuánticas pueden realizar operaciones extremadamente rápidamente, por lo que los científicos pueden hacer mediciones y realizar correcciones antes de agravar las tasas de error reducen su precisión y confiabilidad.
La eficiencia de este proceso de medición, conocido como lectura, se basa en la resistencia del acoplamiento entre fotones, que son partículas de luz que transportan información cuántica y átomos artificiales, unidades de materia que a menudo se usan para almacenar información en una computadora cuántica.
Ahora, los investigadores del MIT han demostrado que lo que creen que es el acoplamiento de luz de luz no lineal más fuerte jamás logrado en un sistema cuántico. Su experimento es un paso para realizar operaciones cuánticas y lecturas que podrían realizarse en algunos nanosegundos.
Los investigadores utilizaron una nueva arquitectura de circuito superconductor para mostrar un acoplamiento de luminosidad no lineal que es aproximadamente un orden de magnitud más fuerte que las demostraciones anteriores, lo que podría permitir que un procesador cuántico se ejecute aproximadamente 10 veces más rápido.
Todavía queda mucho trabajo por hacer antes de que la arquitectura pueda usarse en una computadora cuántica actual, pero demostrar la física elementary detrás del proceso es un paso importante en la dirección correcta, cube Yufeng “brillante” ye PhD ’24, autor principal de un documento sobre esta investigación.
“Esto realmente eliminaría uno de los cuellos de botella en la computación cuántica. Por lo common, debe medir los resultados de sus cálculos entre rondas de corrección de errores. Esto podría acelerar qué tan rápido podemos alcanzar la etapa de computación cuántica tolerante a las fallas y poder obtener aplicaciones del mundo actual y valores de nuestros computadoras cuánticas”, cube Ye.
El autor principal Kevin O’Brien, profesor asociado e investigador principal en el Laboratorio de Investigación de Electrónica, de MIT, le une el autor principal, profesor e investigador principal asociado en el Laboratorio de Investigación de Electrónica, que dirige el Grupo de Electrónica Coherente Quantum en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (CEE), así como en otros en el MIT, el Laboratorio Mit Lincoln y la Universidad de Harvard. La investigación aparece en Comunicaciones de la naturaleza.
Un nuevo acoplador
Esta demostración física se basa en años de investigación teórica en el Grupo O’Brien.
Después de que Ye se unió al laboratorio como estudiante de doctorado en 2019, comenzó a desarrollar un detector de fotones especializado para mejorar el procesamiento de información cuántica.
A través de ese trabajo, inventó un nuevo tipo de acoplador cuántico, que es un dispositivo que facilita las interacciones entre los qubits. Los qubits son los bloques de construcción de una computadora cuántica. Este llamado acoplador de Quarton tenía tantas aplicaciones potenciales en operaciones cuánticas y lectura que rápidamente se convirtió en un foco del laboratorio.
Este acoplador Quarton es un tipo especial de circuito superconductor que tiene el potencial de generar un acoplamiento no lineal extremadamente fuerte, lo cual es esencial para ejecutar la mayoría de los algoritmos cuánticos. A medida que los investigadores se alimentan más al acoplador, crea una interacción no lineal aún más fuerte. En este sentido, la no linealidad significa que un sistema se comporta de una manera mayor que la suma de sus partes, exhibiendo propiedades más complejas.
“La mayoría de las interacciones útiles en la computación cuántica provienen del acoplamiento no lineal de la luz y la materia. Si puede obtener una gama más versátil de diferentes tipos de acoplamiento y aumentar la resistencia del acoplamiento, entonces puede aumentar esencialmente la velocidad de procesamiento de la computadora cuántica”, explica ye.
Para la lectura cuántica, los investigadores arrojan luz de microondas sobre un qubit y luego, dependiendo de si ese qubit está en el estado 0 o 1, hay un cambio de frecuencia en su resonador de lectura asociado. Miden este cambio para determinar el estado del qubit.
El acoplamiento no lineal de la semilla de luz entre el qubit y el resonador permite este proceso de medición.
Los investigadores del MIT diseñaron una arquitectura con un acoplador Quarton conectado a dos qubits superconductores en un chip. Entran un qubit en un resonador y usan el otro qubit como un átomo synthetic que almacena información cuántica. Esta información se transfiere en forma de partículas de luz de microondas llamadas fotones.
“La interacción entre estos átomos artificiales superconductores y la luz de microondas que ruta la señal es básicamente cómo se construye una computadora cuántica superconductora completa”, explica Ye.
Habilitando una lectura más rápida
El acoplador de Quarton crea un acoplamiento de luminosidad no lineal entre el qubit y el resonador que es aproximadamente un orden de magnitud más fuerte de lo que los investigadores habían logrado antes. Esto podría habilitar un sistema cuántico con lectura de rayo rápido.
“Este trabajo no es el ultimate de la historia. Esta es la demostración de física elementary, pero ahora hay trabajo en el grupo para realizar una lectura realmente rápida”, cube O’Brien.
Eso implicaría agregar componentes electrónicos adicionales, como filtros, para producir un circuito de lectura que podría incorporarse a un sistema cuántico más grande.
Los investigadores también demostraron un acoplamiento de materia de materia extremadamente fuerte, otro tipo de interacción qubit que es importante para las operaciones cuánticas. Esta es otra área que planean explorar con el trabajo futuro.
Las operaciones rápidas y la lectura son especialmente importantes para las computadoras cuánticas porque los qubits tienen una vida útil finita, un concepto conocido como tiempo de coherencia.
El acoplamiento no lineal más fuerte permite que un procesador cuántico se ejecute más rápido y con un error más bajo, por lo que los qubits pueden realizar más operaciones en la misma cantidad de tiempo. Esto significa que los qubits pueden ejecutar más rondas de corrección de errores durante sus vidas.
“Mientras más ejecuciones de corrección de errores puedan ingresar, menor será el error en los resultados”, cube Ye.
A la larga, este trabajo podría ayudar a los científicos a construir una computadora cuántica tolerante a fallas, que es esencial para un cálculo cuántico práctico a gran escala.
Esta investigación fue apoyada, en parte, por la Oficina de Investigación del Ejército, el Centro AWS para la Computación Quantum y el Centro MIT para la Ingeniería Quantum.
