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Científicos Logran un Gran Avance en la Computación Cuántica

Los ingenieros desarrollaron un proceso híbrido que conecta la fotónica con «átomos artificiales» para producir el chip cuántico más grande de su tipo.

Los investigadores del MIT han desarrollado un proceso para fabricar e integrar “átomos artificiales”, creados por defectos en la escala atómica en rebanadas microscópicamente delgadas de diamante con circuitos fotónicos, produciendo de esta manera el chip cuántico más grande de su tipo.

El logro «marca un punto de inflexión» en el campo de los procesadores cuánticos escalables, dice Dirk Englund, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación del MIT. Se necesitarán millones de procesadores cuánticos para construir computadoras cuánticas, y la nueva investigación demuestra una forma viable de aumentar la producción de procesadores, señalan él y sus colegas.

A diferencia de las computadoras clásicas, que procesan y almacenan información usando bits representados por 0 y 1, las computadoras cuánticas operan usando bits cuánticos, o qubits, que pueden representar 0, 1 o ambos al mismo tiempo. Esta extraña propiedad permite a las computadoras cuánticas realizar simultáneamente múltiples cálculos, resolviendo problemas que serían intratables para las computadoras clásicas.

Los qubits son los nuevos chips y son átomos artificiales hechos de defectos en el diamante, que pueden ser estimulados con luz visible y microondas para emitir fotones que transportan información cuántica. El proceso es un enfoque híbrido, en el que se colocan “microchiplets cuánticos” cuidadosamente seleccionados que contienen múltiples qubits basados ​​en diamantes en un circuito integrado fotónico de nitruro de aluminio.

“En los últimos 20 años de ingeniería cuántica, la visión definitiva ha sido fabricar tales sistemas de qubit artificiales en volúmenes comparables a los de la electrónica integrada”, dice Englund. «Aunque ha habido un progreso notable en esta área activa de investigación, las complicaciones de fabricación y materiales hasta ahora han producido solo dos o tres emisores por sistema fotónico».

Usando su método híbrido, Englund y sus colegas pudieron construir un sistema de 128 qubit, el chip de fotónica de átomo artificial integrado más grande hasta el momento.

Los átomos artificiales en los chiplets consisten en centros de color en diamantes, defectos en la red de carbono del diamante donde faltan átomos de carbono adyacentes, con sus espacios llenos de un elemento diferente o dejados vacíos. En los chiplets del MIT, los elementos de reemplazo son el germanio y el silicio. Cada centro funciona como un emisor en forma de átomo cuyos estados de giro pueden formar un qubit. Los átomos artificiales emiten partículas de luz coloreadas, o fotones, que llevan la información cuántica representada por el qubit.

Los centros de color diamante son buenos qubits de estado sólido, pero “el cuello de botella con esta plataforma es en realidad construir un sistema y una arquitectura de dispositivo que puede escalar a miles y millones de qubits”, explica Wan. “Los átomos artificiales están en un cristal sólido y la contaminación no deseada puede afectar importantes propiedades cuánticas como los tiempos de coherencia. Además, las variaciones dentro del cristal pueden hacer que los qubits sean diferentes entre sí, y eso dificulta escalar estos sistemas».

En lugar de intentar construir un gran chip cuántico completamente en diamante, los investigadores decidieron adoptar un enfoque modular e híbrido. “Usamos técnicas de fabricación de semiconductores para hacer estos pequeños trozos de diamante, de los cuales seleccionamos solo los módulos qubit de la más alta calidad”, dice Wan. «Luego, integramos esos chiplets pieza por pieza en otro chip que ‘conecta’ los chiplets juntos en un dispositivo más grande».

La integración tiene lugar en un circuito integrado fotónico, que es análogo a un circuito integrado electrónico, pero utiliza fotones en lugar de electrones para transportar información. Photonics proporciona la arquitectura subyacente para enrutar y cambiar fotones entre módulos en el circuito y con bajas pérdidas. La plataforma del circuito es de nitruro de aluminio, en lugar del silicio tradicional de algunos circuitos integrados.

«Los centros de color del diamante emiten en el espectro visible. Sin embargo, el silicio tradicional absorbe la luz visible, por lo que recurrimos al nitruro de aluminio para nuestra plataforma fotónica, ya que es transparente en ese régimen», explica Lu. «Además, el nitruro de aluminio puede soportar interruptores fotónicos que funcionan a temperaturas criogénicas, en las que operamos para controlar nuestros centros de color».

Usando este enfoque híbrido de circuitos fotónicos y chiplets de diamantes, los investigadores pudieron conectar 128 qubits en una plataforma. Los qubits son estables y de larga duración, y sus emisiones se pueden ajustar dentro del circuito para producir fotones espectralmente indistinguibles, según Wan y sus colegas.

Si bien la plataforma ofrece un proceso escalable para producir chips fotónicos de átomos artificiales, el siguiente paso será «encenderlo», por así decirlo, para probar sus habilidades de procesamiento.

“Esta es una prueba de concepto de que los emisores de qubit de estado sólido son tecnologías cuánticas muy escalables”, dice Wan. «Para procesar la información cuántica, el siguiente paso sería controlar esta gran cantidad de qubits y también inducir interacciones entre ellos».

Los qubits en este tipo de diseño de chips no necesariamente deben que tener estos centros de color diamante particulares. Otros diseñadores de chips pueden elegir otros tipos de centros de color de diamante, defectos atómicos en otros cristales semiconductores como carburo de silicio, ciertos puntos cuánticos semiconductores o iones de tierras raras en cristales. “Debido a que la técnica de integración es híbrida y modular, podemos elegir el mejor material adecuado para cada componente, en lugar de depender de las propiedades naturales de un solo material, lo que nos permite combinar las mejores propiedades de cada material dispar en un sistema”, dice Lu.

Será necesario encontrar una manera de automatizar el proceso y demostrar una mayor integración con componentes optoelectrónicos como moduladores y detectores para construir chips aún más grandes necesarios para computadoras cuánticas modulares y repetidores cuánticos de multicanal, que transportan qubits a largas distancias, dicen los investigadores.

Fuente: Becky Ham | Corresponsal de MIT News

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