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Intel presenta un chip superconductor de 17 qubits
Intel anunció la entrega de un chip de prueba superconductor de 17 qubits para computación cuántica a QuTech, el socio de investigación cuántica de Intel en los Países Bajos. El nuevo chip fue fabricado por Intel y cuenta con un diseño único para mejorar el rendimiento y las prestaciones.
La entrega de este chip demuestra el rápido progreso que Intel y QuTech están haciendo en la investigación y el desarrollo de un sistema de computación cuántica en funcionamiento. También subraya la importancia de la ciencia de los materiales y la fabricación de semiconductores para hacer realidad la promesa de la informática cuántica.
La computación cuántica, en esencia, es lo último en computación paralela, con el potencial de abordar problemas que los ordenadores convencionales no pueden manejar. Por ejemplo, los ordenadores cuánticos pueden simular la naturaleza para avanzar en investigación química, ciencia de los materiales y modelado molecular, como ayudar a crear un nuevo catalizador para capturar dióxido de carbono, un superconductor a temperatura ambiente o descubrir nuevos fármacos.
Sin embargo, a pesar de los grandes avances experimentales y la especulación, existen desafíos inherentes a la construcción de sistemas cuánticos viables y a gran escala que produzcan resultados precisos. Uno de esos obstáculos es la uniformidad y estabilidad de los qubits (los bloques básicos de la computación cuántica).
Los Qubits son tremendamente frágiles, y cualquier ruido u observación involuntaria de ellos puede causar pérdida de datos. Esta fragilidad requiere que operen a una temperatura de alrededor de 20 millikelvin, 250 veces más fría que el espacio profundo, y este entorno operativo extremo hace que el empaquetado de qubits sea clave para su rendimiento y función. El Grupo de Investigación de Componentes (CR) de Intel en Oregon y los equipos de Pruebas de Ensamblaje y Desarrollo de Tecnología (ATTD) en Arizona están sobrepasando los límites del diseño de chips y la tecnología de empaque para abordar los desafíos únicos de la computación cuántica.
Aproximadamente del tamaño de un cuarto (en un envase del tamaño de una moneda de medio dólar), las características de diseño mejoradas del nuevo chip de prueba de 17 bits incluyen:
– Nueva arquitectura que permite mejorar la fiabilidad, el rendimiento térmico y reducir la interferencia de radiofrecuencia (RF) entre los qubits.
– Esquema de interconexión escalable que permite 10-100 veces más señales de entrada y salida del chip en comparación con los chips conectados por cable.
– Procesos, materiales y diseños avanzados que permiten a los dispositivos de empaquetado de Intel escalar para circuitos cuánticos integrados, que son mucho más grandes que los chips de silicio convencionales.
«Nuestra investigación cuántica ha progresado hasta el punto de que nuestro socio QuTech está simulando cargas de trabajo de algoritmos cuánticos, e Intel está fabricando nuevos chips de prueba de qubit con regularidad en nuestras modernas instalaciones de fabricación», afirmó el Dr. Michael Mayberry, vicepresidente corporativo y director general de Intel Labs. «La experiencia de Intel en fabricación, electrónica de control y arquitectura nos distingue y nos servirá de la mejor manera a medida que nos adentramos en nuevos paradigmas de computación, desde la informática neuromórfica a la cuántica».
La relación de colaboración de Intel con QuTech para acelerar los avances en computación cuántica comenzó en 2015. Desde entonces, la colaboración ha logrado muchos hitos: desde demostrar los bloques de circuitos clave para un sistema de control criogénico-CMOS integrado, hasta desarrollar un flujo de fabricación de qubit spin en la tecnología de proceso de 300 mm de Intel, y desarrollar esta solución de empaque única para los qubits superconductores. A través de esta asociación, el tiempo desde el diseño y la fabricación hasta la prueba se ha acelerado enormemente.
Con este chip de prueba, nos centraremos en conectar, controlar y medir múltiples y entrelazadas salidas hacia un esquema de corrección de errores y un qubit lógico «, del profesor Leo DiCarlo de QuTech. «Este trabajo nos permitirá descubrir nuevos conocimientos en computación cuántica que darán forma a la próxima etapa de desarrollo».
Avance del sistema de computación cuántica
El trabajo de Intel y QuTech en computación cuántica va mucho más allá del desarrollo y prueba de dispositivos de qubit superconductores. La colaboración abarca todo el sistema cuántico -o «pila» – desde los dispositivos de qubit hasta la arquitectura de hardware y software necesaria para controlar estos dispositivos, así como las aplicaciones cuánticas. Todos estos elementos son esenciales para que la computación cuántica avance de la investigación a la realidad.
Además, a diferencia de otros, Intel está investigando varios tipos de qubit. Estos incluyen los qubits superconductores incorporados en este nuevo chip de prueba, y un tipo alternativo llamado spin qubits en silicio. Estos espín qubits se asemejan a un transistor de un solo electrón similar en muchos aspectos a los transistores convencionales y potencialmente capaz de ser fabricado con procesos comparables.
Mientras que las computadoras cuánticas prometen mayor eficiencia y rendimiento para manejar ciertos problemas, no reemplazarán la necesidad de computación convencional u otras tecnologías emergentes como la computación neuromórfica. Y necesitaremos los avances técnicos que la ley de Moore ofrece para inventar y ampliar estas tecnologías emergentes.
Intel está invirtiendo no sólo para inventar nuevas formas de computación, sino también para avanzar en la fundamentación de la Ley de Moore, que hace posible este futuro.
Ampliar en: nextBIG FUTURE
¿Google está a punto de construir el primer qubit del mundo?
El qubit es la unidad básica de computación cuántica. Así que a los desarrolladores de hardware cuántico obviamente les gusta presumir de cuántos tienen. Aunque algunos afirman tener miles en sus dispositivos, hay un sentimiento muy real de que nadie ha construido ni siquiera uno solo.
Hay un par de cosas diferentes para las que usamos el nombre del qubit. Uno es un qubit físico. La parte física se refiere al hecho de que estos son objetos reales de la vida real. La parte de bits nos dice que estos objetos deberían tener dos posibles estados. Y lo que es para el cuántico, ya que necesitamos manipular los estados de una manera cuántica mecánica.
Cualquier qubit que merezca el nombre también debe tener un ruido extremadamente bajo. La forma en que los manipulamos e interactuamos debería ser casi perfecta. Como un logro de la física experimental, deben estar en la cúspide: Una maravilla de la ciencia y la ingeniería. Aun así, no son suficientemente buenos. Para las ordenadores cuánticos, casi perfecto es casi inútil.
Esto no es más de lo que esperamos de los ordenadores normales. Hay millones de píxeles en tu pantalla, pero te darías cuenta si sólo uno estuviera haciendo algo al azar. Lo mismo es cierto para todos los millones de bits que nadan alrededor en sus programas. Sólo se necesita un valor de conmutación de unos pocos porque están aburridos para que todo se convierta en un sinsentido.
Cuando programamos, a menudo olvidamos que los bits de nuestro ordenador tienen una forma corpórea real. Pensamos en ellos como un concepto abstracto, puro e incorruptible. De lo contrario, el desarrollo de software sería una actividad muy diferente. Los programas cuánticos están diseñados con el mismo grado de perfección en mente. Para ejecutarlos, necesitamos renuncias lógicas: encarnaciones de la idea misma de la información cuántica.
Construir qubits lógicos requiere que domemos la naturaleza de sus primos físicos. Necesitamos corrección de errores cuánticos. Muchas de las partes físicas son reunidas y conducidas a ser más grandes que la suma de sus partes. Cuanto más qubits físicos usemos, mejor será el efecto. El ruido disminuye exponencialmente, hasta que podemos estar seguros de que no ocurrirá ni un solo error durante el cálculo.
Esto no está exento de costes. No debemos pensar en gastar unos pocos cientos de qubits físicos para construir uno solo lógico. Pero si esto significa alcanzar la promesa completa de computación cuántica, valdrá la pena.
El diseño más popular para la corrección de errores cuánticos es el código de superficie. Para el código de superficie más pequeño, se necesitan 17 qubits físicos. Éstos construirían un qubit lógico, pero no con la suficiente complejidad como para hacer algo con él.
Todavía no se ha logrado nada parecido. Para ver por qué, echemos un vistazo a lo que se necesitaría.
Esto es un código de superficie. Los 17 puntos, tanto blancos como negros, son los qubits físicos. Las 24 líneas coloreadas representan un cierto tipo de operación cuántica, la controlada-NO. Para cada par de salidas conectadas, esta operación debería ser posible realizarla de forma limpia y directa.
El principal desafío es conectar todos estos controles-NO. Tener 17 qubits en nuestro procesador cuántico no es suficiente. También necesitamos el conjunto de instrucciones para soportar esta red específica de procesos.
Tener un montón de qubits físicos en una línea son noticias viejas, dos líneas al lado de la otra también es factible. Pero la red 2D de conexiones necesarias para el código de superficie es mucho más difícil.
Aun así, Google promete esto y mucho más para finales de año. Prometieron una red de 7×7 de 49 qubits físicos. Esto sería un gran paso adelante en comparación con otros dispositivos, como la celosía IBM 2×8 de 16 qubits físicos.
El dispositivo IBM tiene suficiente conectividad para hacer un bit lógico a partir de qubits físicos. En los próximos meses harán cosas mucho más geniales, como es de esperar del dispositivo a la vanguardia de su campo. Pero hacer un qubit lógico no será uno de sus logros.
El hecho de que los 49 qubits de Google serán tan revolucionarios hace difícil creer que lo veremos antes de que acabe el año. Los hitos más realistas para este año son un dispositivo de 17 qubit de IBM, y uno de 20 qubit de Google. Ambos tienen suficientes qubits para empezar con el código de superficie. Pero, ¿tienen el diseño correcto? Sólo el tiempo lo dirá.
Quizá no tengamos que esperar mucho tiempo. John Martinis, el encargado de construir los dispositivos cuánticos de Google, dará una charla la próxima semana. El título…
Escalado de errores lógicos de medición con el código de superficie
Los códigos de superficie están en el radar de los gigantes tecnológicos. El primer qubit lógico del mundo se acerca. ¿Ya lo ha gestionado el dispositivo de 20 qubit de Google?
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Ordenador cuántico de Google
Aquí es donde el concepto de «supremacía cuántica» – será capaz de demostrar de manera concluyente la capacidad de realizar un cálculo que una computadora clásica no puede – entra en juego. Para comprobar la validez de tal cálculo, se requerirían los mejores supercomputadores de hoy, y de acuerdo con Martinis, lo más que podrían competir con una computadora cuántica de 50 qubit – más qubits y un supercomputador no serán suficientes. A pesar de eso, Martinis me dice que al entrar en «la era de un montón de qubit», utilizando la supremacía cuántica como una herramienta de evaluación comparativa para ver qué tan bien funciona su sistema es crucial. Para su actual simulador de 9 qubit, «la supremacía nos dio datos muy valiosos y tenemos algoritmos extremadamente precisos para ello», dice.
Aparte de eso, el equipo de Google también está trabajando duro para predecir y corregir los posibles problemas de hardware que puedan surgir a medida que aumentan el número de qubits, cada uno de los cuales debe ser «muy bueno y coherente». Esto incluye algunos requisitos específicos de ingeniería del sistema . Para diseñar mejores procesadores de computación cuántica, el equipo de Martinis contrató a la compañía canadiense Anyon Systems. Por suerte, el director general de la empresa, Alireza Najafi-Yazdi, también estuvo en la reunión de marzo e incluso dio una conferencia de prensa. Najafi-Yazdi, un ingeniero de formación, cofundó la puesta en marcha en 2014 para desarrollar sistemas de software y simulación que ayudan a diseñar y optimizar la electrónica cuántica y otros dispositivos a nanoescala en los que los efectos cuánticos entran en juego.
Anyon Systems se especializa en el desarrollo de herramientas computacionales y simulaciones «masivamente paralelas», utilizando supercomputadoras para ayudar a diseñar el hardware para futuras computadoras cuánticas. La compañía actualmente está colaborando con el equipo de Martinis para «usar el software de simulación de Anyon Systems para predecir la conversación cruzada entre los diferentes componentes de un procesador cuántico de 6 bits», explica Najafi-Yazdi, agregando que «una comparación entre las mediciones experimentales y los resultados numéricos muestran Excelentes acuerdos que demuestran la promesa de herramientas paralelas masivas en la ingeniería de nuevos procesadores cuánticos «. Añadió que algunas simulaciones ya habían revelado posibles problemas con el chip superconductor que podría ser abordado durante la simulación, en lugar de pasar meses construyendo el dispositivo sólo para encontrarlo No funciona como se esperaba.
Antes de que Martinis y yo nos separáramos después de nuestra charla rápida, mencionó que tanto se discute en estas sesiones que todo su equipo se reúne cada noche para discutir ideas, dice que el equipo está realmente trabajando para llegar a 20 qubits muy pronto. «Todo depende de cómo van nuestras soluciones finales. El objetivo de Google es que nuestro equipo de 50 qubit esté listo para finales de este año. Puede suceder, pero estoy más centrado en perfeccionar el chip de 20 qubit ahora. «En cualquier caso, Martinis confía en que su 50-qubit no está tan lejos y es sólo una cuestión de tiempo antes de que tengan un funcionamiento y relativamente libre de errores de la computadora cuántica en su mira … momentos emocionantes de hecho.
Ampliar en: IOP
Tecnologías para la computación cuántica
Hay hasta 18 tecnologías que están siendo investigados para la computación cuántica. Cada una tiene sus ventajas y limitaciones. El grupo de Blatt está trabajando en un qubit basado en una transición óptica de iones atrapados de calcio 40.
Los qubits de iones atrapados «tienen propiedades de coherencia exquisitas, se pueden preparar y medir con eficiencia cercana al 100 %, y se entrelazan fácilmente unos con otros a través de la interacción de Coulomb o interconexiones fotónicas remotas», escribe Chris Monroe del Joint Quantum Institute en Science. Su grupo está utilizando iones de iterbio, otros investigadores están estudiando otros iones atrapados. Tanto los grupos de Innsbruck y JQI han escalado experimentos para 15 o 16 qubits, a medio camino de los 30 qubits que Monroe dice que se necesitan para simular el comportamiento de un sistema mecánico-cuántico que son demasiado complejos para las computadoras digitales actuales.
Otros tipos de qubits pueden ser mejores para otros tipos de operaciones, dice Klaus Ensslin del Instituto Federal Suizo de Tecnología ( ETH, Zurich, Suiza). Investigadores suizos están estudiando muchos tipos de qubits para aplicaciones potenciales. Una preocupación es el corto tiempo de vida de los estados cuánticos con respecto al mundo exterior. » Para hacer funcionar un ordenador cuántico, se debe aislar el sistema cuántico de su entorno, pero también hay que leerlo», dice Ensslin. El espín de un solo electrón en un punto cuántico es atractivo porque se acopla débilmente a su entorno. Los qubits de puntos cuánticos son difíciles de manipular, pero dice que su gran atractivo es la posible facilidad de escalado en nanoestructuras semiconductoras. Otros están estudiando enfoques donde la protección es topológica – ingeniería cuántica para mejorar la coherencia y reducir el ruido.
Otros tipos de tecnología de la computación cuántica son:
• Los átomos neutros y moléculas con estados internos de larga duración, se enfrían, atrapan y entrelazan para crear qubits.
• Circuitos de unión Josephson superconductoras.
• Medición óptica de los estados cuánticos de los fotones.
• Efectos de resonancia magnética nuclear
Nuevo récord de almacenamiento de un cubit de estado sólido
La memorias cuánticas para cubits de larga duración suelen trabajar a temperaturas criogénicas. Se publica en Science una memoria cuántica de estado sólido que almacena un cubit durante más de 3 horas a una temperatura de 1,2 K (el anterior récord era de 3 minutos a 4,2 K). Lo más sorprendente es que además supera los 39 minutos a temperatura ambiente (298 K); el anterior récord, utilizando un cubit implementado en diamante, era de 2 segundos. Se ha utilizado silicio (28Si) dopado con fósforo (31P) como donor y con boro (B) como aceptor. El artículo técnico es Kamyar Saeedi et al., “Room-Temperature Quantum Bit Storage Exceeding 39 Minutes Using Ionized Donors in Silicon-28,” Science 342: 830-833, 15 Nov 2013. Nos lo cuenta Gabriel Popkin, “Quantum information storage that lasts and lasts,” Science News, 14 Nov 2013.
Ampliar en: La Ciencia de la Mula Francis
Teleportación cuántica de fotones
Gracias a una tecnología híbrida, es posible realizar una transmisión muy fiable de bits cuánticos fotónicos, como se ha demostrado en un experimento cuyos resultados han sido analizados cuidadosamente.Mediante el entrelazamiento cuántico de campos de luz separados en el espacio, unos investigadores japoneses y alemanes han conseguido teleportar qubits (bits cuánticos) fotónicos con notable fiabilidad. Esto significa que se ha logrado dar un paso decisivo una década y media después de los primeros experimentos en el campo de la teleportación óptica. El éxito del experimento llevado a cabo en la ciudad japonesa de Tokio es atribuible al uso de una técnica híbrida en la cual se han combinado dos enfoques tecnológicos conceptualmente distintos y que antes se consideraban del todo incompatibles.En la teleportación cuántica se transfieren estados cuánticos arbitrarios desde un emisor, a quien aquí podemos referirnos como Isabel, hasta un receptor, a quien podemos llamar Miguel, que está alejado en el espacio. Esto requiere que Isabel y Miguel inicialmente compartan un estado de entrelazamiento cuántico a través del espacio que les separa, un entrelazamiento cuántico que puede por ejemplo estar en la forma de fotones entrelazados cuánticamente.
La teleportación cuántica es de importancia fundamental para el procesamiento de información cuántica (la base de la computación cuántica) y la comunicación cuántica. Los fotones son particularmente valiosos como portadores de información ideales para la comunicación cuántica, ya que se les puede usar para transmitir señales a la velocidad de la luz. Un fotón puede representar un bit cuántico, al que se llama abreviadamente «qubit» y que es comparable a un dígito binario (bit) de un sistema clásico de procesamiento de información.
Los primeros intentos de teleportar fotones (partículas de luz) individuales fueron realizados por el físico austriaco Anton Zeilinger. Desde entonces, se han realizado varios experimentos relacionados con este concepto. Sin embargo, la teleportación de bits cuánticos fotónicos utilizando métodos convencionales ha demostrado tener limitaciones debido a deficiencias experimentales y dificultades con principios fundamentales.
En la teleportación cuántica determinista de un bit cuántico fotónico, cada qubit que vuela desde la izquierda y hacia dentro del teleportador, sale de éste por el lado derecho y con una pérdida de calidad de tan sólo un 20 por ciento, un valor que no se puede alcanzar bajo condiciones clásicas, o sea sin entrelazamiento cuántico.
Lo que hace que el experimento realizado en Tokio sea tan diferente es el uso de una técnica híbrida. Con su ayuda se ha logrado la teleportación cuántica completamente determinista, y de fiabilidad bastante buena, de qubits fotónicos. La precisión de la transferencia fue de entre un 79 y un 82 por ciento para cuatro qubits diferentes. Además, se teleportaron los qubits con una eficiencia mucho mayor que en experimentos anteriores, incluso con un grado bajo de entrelazamiento cuántico.El concepto de entrelazamiento cuántico fue formulado por primera vez por Erwin Schrödinger, y describe una situación en la que dos sistemas cuánticos, como por ejemplo dos partículas de luz, están en un estado conjunto, por lo que sus comportamientos son mutuamente dependientes a un nivel mayor del que es posible normalmente (bajo condiciones clásicas). En el experimento de Tokio, se consiguió el entrelazamiento continuo mediante la estrategia de entrelazar muchos fotones en «parejas». Los experimentos previos sólo tuvieron un fotón entrelazado cuánticamente con otro fotón, una solución menos eficiente.»El entrelazamiento de fotones funcionó muy bien en el experimento realizado en Tokio, prácticamente al pulsar un botón, tan pronto como el láser se encendía», destaca el profesor Peter van Loock de la Universidad Johannes Gutenberg en Maguncia, Alemania. Como físico teórico, van Loock asesoró a los físicos experimentales del equipo de investigación dirigido por el profesor Akira Furusawa, de la Universidad de Tokio, sobre cómo podían realizar más eficientemente el experimento de teleportación para poder lograr el éxito de la teleportación cuántica. Este entrelazamiento continuo se logró con la ayuda de «luz comprimida».
Lo que hace que el experimento realizado en Tokio sea tan diferente es el uso de una técnica híbrida. Con su ayuda se ha logrado la teleportación cuántica completamente determinista, y de fiabilidad bastante buena, de qubits fotónicos. La precisión de la transferencia fue de entre un 79 y un 82 por ciento para cuatro qubits diferentes. Además, se teleportaron los qubits con una eficiencia mucho mayor que en experimentos anteriores, incluso con un grado bajo de entrelazamiento cuántico.El concepto de entrelazamiento cuántico fue formulado por primera vez por Erwin Schrödinger, y describe una situación en la que dos sistemas cuánticos, como por ejemplo dos partículas de luz, están en un estado conjunto, por lo que sus comportamientos son mutuamente dependientes a un nivel mayor del que es posible normalmente (bajo condiciones clásicas). En el experimento de Tokio, se consiguió el entrelazamiento continuo mediante la estrategia de entrelazar muchos fotones en «parejas». Los experimentos previos sólo tuvieron un fotón entrelazado cuánticamente con otro fotón, una solución menos eficiente.»El entrelazamiento de fotones funcionó muy bien en el experimento realizado en Tokio, prácticamente al pulsar un botón, tan pronto como el láser se encendía», destaca el profesor Peter van Loock de la Universidad Johannes Gutenberg en Maguncia, Alemania. Como físico teórico, van Loock asesoró a los físicos experimentales del equipo de investigación dirigido por el profesor Akira Furusawa, de la Universidad de Tokio, sobre cómo podían realizar más eficientemente el experimento de teleportación para poder lograr el éxito de la teleportación cuántica. Este entrelazamiento continuo se logró con la ayuda de «luz comprimida».
Fuente: resolviendo.co
Gracias a la física cuántica, la computación en la nube es segura
Muchas empresas continúan con su empuje para llevarnos a confiar nuestros datos a la nube, hay todavía muchos usuarios preocupados por la seguridad de cloud computing basados en servicios. Ahora un equipo internacional de científicos ha demostrado que la computación en la nube totalmente segura es posible al combinar el poder de la computación cuántica con la seguridad de la criptografía cuántica. Llevaron a cabo lo que ellos dicen la primera demostración de la «computación cuántica ciega», en la que se llevó a cabo una computación cuántica con la entrada, cálculo y salida desconocidos para todos, y por lo tanto, también para los espías.
Si bien se espera que los ordenadores cuánticos desempeñen un papel importante en el procesamiento de información en el futuro, algunos creen que – al igual que los superordenadores de hoy – que se limitarán a unos pocos centros especializados de todo el mundo. Si bien esto trae a la mente la cita que más a menudo se atribuye al presidente de IBM Thomas Watson en 1943, «Creo que hay un mercado mundial para quizás cinco computadoras», dadas las dificultades inherentes a la construcción de los dispositivos cuánticos, hay muchas posibilidades de este escenario suceda – al menos a corto plazo.
El equipo de investigación internacional que trabaja en el Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) de la Universidad de Viena y el Institute for Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) dice que la física cuántica permitirá a los usuarios remotos de las instalaciones de este tipo enviar y recibir datos privados y la seguridad de saber que está protegido de las miradas indiscretas.
Los investigadores describen el proceso: «El usuario debe preparar los qubits, las unidades fundamentales de los ordenadores cuánticos – en un estado que sólo él conoce y envía estos qubits para el ordenador cuántico La computadora cuántica entrelaza los qubits de acuerdo con un esquema estándar.
«El cálculo real se basa en la medición: el procesamiento de información cuántica se implementa por medio de mediciones sencillas sobre qubits. Los usuarios diseñan las instrucciones de la medida al estado particular de cada qubit y los envían al servidor cuántico.
«Finalmente, los resultados del cálculo se envían de vuelta al usuario para que pueda interpretarlos y utilizar los resultados de la computación. Incluso si el ordenador cuántico o un espía, intenta leer los qubits, no obtienen información útil, sin conocer el estado inicial , sino que son ‘ciegos’ «.
Los investigadores hicieron lo que ellos creen es la primera demostración experimental de este proceso de la computación cuántica ciega mediante la codificación de los datos utilizando fotones. Estos son muy adecuados para tareas como operaciones de computación cuántica que pueden llevarse a cabo en ellos y pueden ser transmitidos rápidamente a largas distancias.
«La física cuántica resuelve uno de los principales desafíos en la computación distribuida. Se puede preservar la privacidad de los datos cuando los usuarios interactúan con los centros de computación a distancia», dice Stefanie Barz, autor principal del estudio, que aparece en la revista Science.
Fuente: University of Vienna
Computación cuántica sin requerir enfriamiento
Es un reto que ha sido durante mucho tiempo uno de los santos griales de la computación cuántica: cómo crear los bloques clave de construcción, conocidos como bits cuánticos o qubits, que existan en un sistema de estado sólido a temperatura ambiente.
La mayoría de los sistemas actuales, por comparación, se basan en un equipo complejo y caro diseñado para atrapar un solo átomo o un electrón en el vacío y luego enfriar todo el sistema a temperaturas próximas al cero absoluto.
Un grupo de científicos de Harvard, dirigido por el profesor de Física Mikhail Lukin, incluyendo a los estudiantes graduados Kucsko Georg Maurer y Peter y el investigador postdoctoral C. Latta, indican que han resuelto el problema, y lo hicieron recurriendo a uno de los materiales más puros de la Tierra: los diamantes.
Con un par de impurezas en diamantes ultrapuros, «cultivados» en el laboratorio de diamantes, los investigadores fueron capaces de crear los bits cuánticos que almacenan la información y permanecer en ellos durante casi dos segundos, un aumento de casi seis órdenes de magnitud más de la vida útil de los sistemas anteriores. El trabajo, descrito en la revista Science, es un primer paso crítico en la eventual construcción de un ordenador cuántico funcional, y tiene una gran cantidad de otras aplicaciones potenciales.
«Lo que hemos sido capaces de lograr en términos de control es sin precedentes», dijo Lukin. «Tenemos un qubit, a temperatura ambiente, que podemos medir con muy alta eficiencia y fidelidad. Podemos codificar los datos en él, y nos los puede almacenar por un tiempo relativamente largo. Creemos que este trabajo sólo está limitado por cuestiones técnicas, por lo que parece factible aumentar el tiempo de vida en el rango de horas. En ese momento, una gran cantidad de aplicaciones del mundo real serán posibles».
Además de un ordenador cuántico práctico, Lukin prevé que el sistema se utilice en aplicaciones que incluyen «dinero cuántico» (un sistema de pago para las transacciones bancarias y tarjetas de crédito que se basa en la codificación de los bits cuánticos para frustrar a los falsificadores) y las redes cuánticas (método de comunicaciones altamente seguro que utiliza bits cuánticos para transmitir datos).
«Esta investigación es un importante paso adelante en la investigación hacia la construcción algún día de una computadora cuántica práctica», dijo Kucsko, que trabaja en el laboratorio de Lukin, y es uno de los dos primeros autores del artículo. «Por primera vez, tenemos un sistema que tiene un plazo de tiempo razonable para la memoria y simplicidad, por lo que ahora es algo que podemos seguir».
La base para el avance de Lukin se estableció hace varios años, cuando investigadores descubrieron que los sitios vacantes de nitrógeno (NV), los centros a escala atómica de impurezas en el diamantes, crecidos en el laboratorio se comportan de la misma manera que los átomos individuales. Al igual que los átomos individuales, cada centro posee un espín, que puede ser polarizado, similar al de un imán de barra. Mediante el uso de láser, los investigadores son capaces no sólo de controlar el espín, sino tambén detectar su orientación a medida que cambia con el tiempo.
Pero la idea de utilizar los centros de NV para formar la columna vertebral de una computadora cuántica, simplemente no era práctico, en gran parte debido a que sólo puede contener los datos cerca de una millonésima de segundo antes de que sus propiedades cuánticas – y cualquier otro dato que puede haber – se perdiera.
El culpable, dijo Lukin, fue otra impureza en el cristal de diamante.
En los experimentos iniciales, el equipo utilizó diamantes que contiene 99 por ciento de 12 átomos de carbono, que no tienen espín. El resto, sin embargo, estaba formado por átomos de carbono-13, un isótopo complicado que contiene un espín en el núcleo del átomo. Aunque débil, la interacción con los espines estaba causando luces de los centros NV corta vida.
Con esta última investigación, sin embargo, Lukin y su equipo convertido lo que alguna vez fue un reto – la interacción entre el centro de NV y átomos de carbono-13 – para su ventaja.
«El espín nuclear del carbono-13 tiene un bit cuántico ideal, porque están muy aislados», dijo Lukin. «Debido a tan poca interacción con las fuerzas externas, tienen tiempos de coherencia relativamente largos. Por supuesto, las mismas propiedades que las hacen ideales los qubits también los hacen difíciles de medir y manipular».
La solución de Lukin y su equipo fue sorprendentemente elegante. En lugar de intentar encontrar una manera de medir el espín de los átomos de carbono, utilizaron el centro NV que lo haga por ellos.
Trabajando con investigadores de Element Six, una empresa británica que se especializa en la fabricación de diamantes artificiales, desarrollaron una nueva técnica para crear cristales que eran aún más puros: 99n99 por ciento de carbono-12. Los investigadores luego bombardear el cristal con nitrógeno para crear el centro NV, que interactúa con un cercano átomo de carbono-13.
El resultado de esta interacción es que el centro NV refleja el estado del átomo de carbono, es decir, los investigadores pueden codificar un bit de información en el espín del átomo, a continuación, «leer» los datos mediante la supervisión del centro de NV.
«El sistema que hemos desarrollado utiliza esta sonda muy local, el centro de NV, que nos permite controlar que los beneficios», dijo Lukin. «Como resultado de ello, por primera vez, podemos codificar un bit de información en el espín, y utilizar este sistema para su lectura».
Sin embargo, la codificación de la información en el espín del átomo de carbono-13 y su lectura utilizando el centro NV es sólo un paso en el camino hacia una computadora cuántica. Para ser verdaderamente útil, los investigadores tuvieron que determinar la forma de tomar ventaja de las propiedades cuánticas del átomo -es decir, su capacidad para ocupar dos estados al mismo tiempo.
Esa capacidad de estar en dos estados al mismo tiempo, es un principio clave de los ordenadores cuánticos. A diferencia de las computadoras tradicionales, que codifican los bits de información, ya sea cero o uno, los ordenadores cuánticos se basan en escala atómica de la mecánica cuántica para dar a los bits cuánticos ambos valores a la vez. Esa propiedad, en teoría, permite a los ordenadores cuánticos realizar cálculos múltiples en paralelo, por lo que son mucho más poderosos que los ordenadores tradicionales, que realizan operaciones en la secuencia.
La solución, Lukin explicó, era un proceso de dos pasos.
El primer paso es cortar la conexión entre el centro NV y el átomo de carbono. Con el uso de cantidades masivas de luz láser, el investigador es capaz de mantener con eficacia el centro NV ocupado y evitar la interacción con el átomo de carbono. En el paso dos, el cristal de diamante es bombardeado con un conjunto específico de impulsos de frecuencia de radio, la supresión de la interacción entre el átomo de carbono-13 y cualesquiera átomos cercanos.
«Al limitar las interacciones con el átomo de carbono-13, se puede extender la vida útil del qubit y mantener los datos durante más tiempo», dijo Lukin. «El resultado final es que somos capaces de aumentar el tiempo de coherencia de una milésima de segundo a casi dos segundos.»
Fuente: P. C. Maurer, G. Kucsko, C. Latta, L. Jiang, N. Y. Yao, S. D. Bennett, F. Pastawski, D. Hunger, N. Chisholm, M. Markham, D. J. Twitchen, J. I. Cirac, M. D. Lukin. Room-Temperature Quantum Bit Memory Exceeding One Second. Science, 2012; 336 (6086): 1283 DOI: 10.1126/science.1220513
La nevera más pequeña del mundo podría enfriar los ordenadores cuánticos
Un truco cuántico podría allanar el camino para el frigorífico más pequeño del mundo – construido a escala atómica. El refrigerador pequeño pero poderoso podría rozar la frialdad del cero absoluto para mantener los ordenadores cuánticos funcionando sin problemas, según un equipo de físicos teóricos.
Los planos para el dispositivo, diseñado por Noah Linden de la Universidad de Bristol, Reino Unido, y sus colegas, sugieren que el refrigerador podría constar de dos bits cuánticos o qubits, que interactúan con un tercer qubit de tal manera que podría enfriarse.
Cada qubit tiene dos estados de energía posibles: alto, o «1», y bajo, o «0». Los tres qubits juntos comparten un estado del grupo, como el 110. El equipo del sistema teórico se seleccionará de forma que los estados 101 y 010 del grupo son exactamente iguales en energía, es decir, el sistema puede cambiar entre los dos fácilmente. Luego, el equipo imagina que el qubit primero se adjunta a una fuente de calor, dotándolo de una fuente constante de energía que debería aumentar la probabilidad de que los qubits alcancen el estado 101. Sin embargo, los qubits interactúan en el nivel cuántico con una consecuencia inesperada de que las probabilidades se inviertan y hacer el estado 010 más probable. A medida que la probabilidad de que el qubit tercero, esté en el estado 0 aumente, su temperatura cae. El aumento de la probabilidad es fácil: aumentando el calor en el primer qubit. El trabajo aparecerá en la revista Physical Review Letters.
El equipo dice que el refrigerador podría ser utilizado para enfriar los qubits en un ordenador cuántico, desconectando el ruido térmico que pueden alterar sus delicadas propiedades cuánticas. El refrigerador puede enfriar los qubits en un ordenador cuántico, eliminando el ruido térmico
Sin embargo, para llegar a temperaturas superfrías dentro de un ordenador cuántico, la nevera necesitaría un baño caliente de supercalor. Raymond Laflamme del equipo de la Universidad de Waterloo en Ontario (Canadá), ha elaborado un sistema de refrigeración cuántica que opera bajo principios similares al plan del equipo de Bristol, pero el enfriamiento es impulsado por unos iman externo que actúa sobre los qubits en lugar de calentarlos. Han utilizado su refrigerador para enfriar un átomo de carbono a -95 ° C, pero tienen la intención de acercarse al cero absoluto en futuros experimentos.
Fuente: News Scientist tech
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– Nuevo material que supone avance en la computación cuántica
Computadores cuánticos, más cerca de la realidad
Demostrado el procesado cuántico del estado sólido.
Los ordenadores de mañana podrían ser cuánticos, no clásicos, usando las extrañas propiedades del mundo cuántico para incrementar vastamente la memoria y velocidad del procesado de información. Pero fabricar tales partes de cálculo cuántico a partir de un conjunto estándar hasta el momento se ha mostrado como una tarea difícil.
Ahora, el físico Leonardo DiCarlo de la Universidad de Yale en New Haven, y sus colegas han hecho el primer procesador cuántico de estado sólido, usando técnicas similares a la industria de los chips de silicio. El procesador ha usado programas conocidos como algoritmos cuánticos para resolver dos problemas distintos. El trabajo se publica en la revista Nature.
Los sistemas clásicos usan una serie de 0 y 1, o bits, para transportar la información. Dos bits, por ejemplo, pueden combinarse para formar 00, 11, 01 ó 10. Pero en los sistemas cuánticos hay una propiedad conocida como superposición, donde todas estas combinaciones pueden tener lugar al mismo tiempo. Esto incrementa enormemente la cantidad de información que puede almacenarse y la velocidad a la que pueden procesarse.
Los bits cuánticos, o qubits, también pueden entrelazarse — el estado de uno de los qubit influye en el estado de otro incluso a una distancia considerable. Un computador cuántico usaría qubits entrelazados para procesar información.
Trabajo sólido
Los algoritmos cuánticos han sido procesados anteriormente, pero sólo en sistemas exóticos usando lásers con potentes imanes. Para hacer algo más similar a un ordenador se necesita un sistema de estado sólido.
DiCarlo hizo su dispositivo a partir de dos qubits transmon. Son diminutas piezas de un material superconductor que constan de una película de Niobio sobre una oblea de óxido de aluminio con huecos grabados en la misma. Una corriente puede “canalizarse” a través de estos huecos – otra propiedad especial del mundo cuántico, donde ondas y partículas pueden cruzar barreras sin abrir una brecha en ellas. Los dos qubits están separados por una cavidad que contiene microondas, y todo el sistema está conectado a una corriente eléctrica.
“El atractivo de nuestro procesador es que es un dispositivo de estado sólido completo”, dice DiCarlo. Se realizó usando técnicas industriales estándar. Pero la analogía con los ordenadores comunes no debería sobrevalorarse, advierte — el dispositivo funciona a apenas una fracción de grado sobre el cero absoluto y requiere de una tecnología especial de refrigeración.
Los investigadores controlaron el sistema usando un “tono” de microondas con una frecuencia que provoca que los qubits se entrelacen. Entonces se aplica un pulso de voltaje para controlar cuánto tiempo permanecen entrelazados los dos qubits y en su estado superpuesto. Un mayor entrelazamiento permite a los qubits procesar problemas más complejos.
DiCarlo fue capaz de mantener los qubits entrelazados durante un microsegundo, lo cual es lo más avanzado que se ha logrado, dice.
La llamada del qubit
El sistema procesó dos algoritmos escritos específicamente para sistemas cuánticos.
El primero es el algoritmo de búsqueda de Grover, también conocido como la búsqueda inversa de la guía de teléfonos. El procesador esencialmente lee todos los números de la guía a la vez para encontrar la respuesta correcta. “Al final el qubit estará en un estado, no superpuesto, y esa es la respuesta”, dice DiLorio.
El segundo algoritmo, más simple, el algoritmo de Deutsch-Jozsa, prueba si el lanzamiento de una moneda es imparcial o no.
El procesador de DiCarlo logró un impresionante acierto del 80% en la búsqueda de la guía de teléfonos y un 90% en el algoritmo del lanzamiento de la moneda.
Para leer la respuesta, DiCarlo usó un tono de microondas en la misma frecuencia que la cavidad del sistema. “Dependiendo de en qué estado se encuentra el qubit, la cavidad resonará a una frecuencia concreta. Si el tono se transmite a través de la cavidad, sabemos que está en el estado correcto”, comenta.
Pero esta técnica no podría leer la respuesta en un sistema con muchos qubits más, dice el experto en computación cuántica Hans Mooij de la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos. El desarrollo del procesador son buenas noticias, añade Mooij. “Este es un paso necesario”, comenta. “Si esto puede hacerse, lo siguiente también puede realizarse”.
DiCarlo es cauteloso. “Hemos hecho un procesador cuántico muy simple”, dices. “No es de ninguna manera un ordenador cuántico”.
Ahora está trabajando para dar al procesador más qubits, y por lo tanto más potencia de procesamiento. Cree que aumentar la escala a tres o cuatro qubits será relativamente simple, pero más allá el problema se hace mucho más complejo, y el tiempo de coherencia necesario será difícil de obtener. Mooij concuerda: “Para pasar de tres o cuatro a diez necesitarán dar otro gran paso”.
Artículo de referencia: DiCarlo, L. et al, Nature, doi:10.10383/nature08121 (2009)
Autor: Katharine Sanderson
Fecha Original: 28 de junio de 2009
Enlace Original
Fuente: Ciencia Kanija
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