Los sistemas de computación cuántica con trampa de iones a gran escala se acercan cada vez más a la realidad
Los trabajos futuros beberán de este descubrimiento, conectando directamente la electrónica con los chips de trampas de iones
Una colaboración entre los investigadores del Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi y del Laboratorio Lincoln del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés) ha logrado atrapar y manipular iones mediante crioelectrónica al vacío, lo que ha permitido reducir el ruido térmico y mejorar la sensibilidad. Este experimento de prueba de concepto marca un importante avance en la construcción de computación cuántica con trampas de iones a gran escala.
Las trampas iónicas son una combinación de campos eléctricos o magnéticos que capturan iones en una región de un sistema o tubo al vació. Son utilizadas en una amplia variedad de usos científicos, como la espectroscopia de masas o el atrapar iones cuando los estados cuánticos de ion son manipulados. En computación cuántica, los cúbits (bits cuánticos) son iones, y a través de campos electromagnéticos se quedan «atrapados» en el aire, aislándolos de cualquier contacto físico que pueda causar decoherencia.
El proyecto de cointegración de trampas de iones y circuitos de control criogénico profundo fue posible gracias a la colaboración entre dos Centros Nacionales de Investigación en Ciencias de la Información Cuántica del Departamento de Energía (DOE): el Centro de Ciencias Cuánticas, dirigido por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, y el Acelerador de Sistemas Cuánticos, dirigido por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. La iniciativa fue liderada por los Laboratorios Nacionales Sandia en colaboración con el Laboratorio Lincoln del MIT.
El avance sienta las bases para los sistemas híbridos integrados que se esperan desarrollar en el futuro
Travis Humble, director del Centro de Ciencias Cuánticas, dijo: "Esta notable investigación integra capacidades de última generación en tecnologías cuánticas para ofrecer una nueva y emocionante dirección para la computación cuántica con trampa de iones escalable utilizando chips de control crioelectrónicos". En el centro del esfuerzo se encontraba la crioelectrónica desarrollada por Fermilab: circuitos especializados diseñados para operar a las temperaturas extremadamente bajas requeridas por los ordenadores cuánticos.
Esta crioelectrónica se integró en la plataforma de de trampas de iones del Laboratorio Lincoln del MIT para comprobar su fiabilidad al realizar funciones clave: mover iones individuales, mantenerlos en posiciones fijas y mejor los efectos del ruido electrónico. A pesar de las ventajas de los ordenadores cuánticos con trampas de iones, el escalado a millones de cúbits para aplicaciones avanzadas no es una de ellas. Todavía supone un gran desafío.
Al colocar crioelectrónica de ultrabajo consumo cerca de las trampas de iones, el equipo del Fermilab y el Laboratorio Lincoln del MIT descubrió un camino prometedor. Su sistema rediseñado reemplazó algunos de los controles de temperatura ambiente con un chip montado dentro del entorno criogénico. Este enfoque híbrido, como comprobaron los investigadores, podía mover y controlar iones:
"Además de demostrar la viabilidad, aprendimos mucho. Al demostrar que la crioelectrónica de bajo consumo puede funcionar dentro de sistemas de trampa de iones, podríamos acelerar el escalamiento de los ordenadores cuánticos, acercando así lo que parecía lejano. Este enfoque podría, en última instancia, dar soporte a sistemas con decenas de miles de electrodos o más", afirmó Farah Fahim, jefa de la División de Microelectrónica del Fermilab.
Los trabajos futuros beberán de este descubrimiento, conectando directamente la electrónica con los chips de trampas de iones para aumentar aún más la eficiencia y el rendimiento, además de permitir escalar las matrices de trampa de iones para sistemas más grandes. La exitosa integración resalta el valor de la colaboración entre centros, además de marcar un paso concreto hacia la realización de tecnologías de computación cuántica escalables para la ciencia y más allá.
Robert McConnell, miembro del personal técnico del Laboratorio Lincoln del MIT, dijo que "si bien aún existen desafíos importantes para establecer la tecnología necesaria para controlar matrices de iones a escala práctica, esta demostración de electrónica de formato pequeño y ruido bajo sienta las bases para los sistemas híbridos integrados que esperamos desarrollar en el futuro cercano".