La computación cuántica un paso más cerca de la realidad aprovechando osciladores armónicos

La carrera de la computación cuántica ha estado muy activa durante algunos años, con el descubrimiento de fármacos, la ciencia de materiales, la optimización, el aprendizaje automático y la criptografía siendo solo algunas de las áreas que serán revolucionadas por sus avances.

Pero a pesar de todo el progreso, construir computadoras cuánticas que resuelvan problemas del mundo real se ha visto limitado por tres grandes desafíos: 

• Estados cuánticos frágiles
• Escalar manteniendo el control
• Preservar la coherencia

Ahora, un equipo de la Universidad Tecnológica de Chalmers en Suecia ha dado un paso significativo para abordar estos desafíos y acelerar el desarrollo de computadoras cuánticas prácticas. Ellos publicaron recientemente un nuevo método en la revista Nature para manipular información cuántica usando no linealidad ajustable en circuitos superconductores. Esto permite que operaciones complejas sobre estados cuánticos multidimensionales se realicen más rápido y con mayor precisión que nunca.

Construyendo computadoras cuánticas prácticas

En el corazón de la computación cuántica está el bit cuántico, o qubit, la unidad fundamental de información cuántica. A diferencia de los bits clásicos, que son 0 o 1, los qubits pueden ser 0 y 1 simultáneamente y todo lo que hay entre ambos. Los qubits también pueden entrelazarse entre sí, lo que permite que las computadoras cuánticas realicen algunos cálculos mucho más rápido que las computadoras clásicas. 

Sin embargo, alcanzar esta capacidad ha sido un desafío importante. Uno de los mayores problemas es la fragilidad de los estados cuánticos. Los qubits son sensibles a su entorno y pierden rápidamente sus propiedades cuánticas mediante la decoherencia, introduciendo errores en el cálculo cuántico y limitando la profundidad de los cómputos.

Otro problema importante es la escalabilidad. A medida que se añaden más qubits a un procesador cuántico, se vuelve más difícil controlar las interacciones entre ellos e implementar las puertas cuánticas. Esto se debe a que los sistemas de control y el cruce de señales entre qubits se vuelven más complejos.

Y existe una compensación entre coherencia y controlabilidad. Las técnicas que hacen que los qubits sean más coherentes, como los códigos de corrección de errores, requieren más recursos y limitan algunas operaciones. Los sistemas que tienen mayor control sobre qubits individuales, como los iones atrapados o los circuitos superconductores, son más ruidosos y más propensos a la decoherencia.

“Imagine un qubit como una lámpara azul que, mecánicamente cuántica, puede estar encendida y apagada simultáneamente. En contraste, un sistema cuántico de variable continua es como un arcoíris infinito, ofreciendo un degradado continuo de colores. Esto ilustra su capacidad para acceder a una gran cantidad de estados, proporcionando posibilidades mucho más ricas que los dos estados del qubit.” 

– Axel Eriksson, investigador en tecnología cuántica en la Universidad Tecnológica de Chalmers y autor principal del estudio

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No linealidades ajustables en circuitos superconductores

El equipo de la Universidad de Chalmers, liderado por los doctores Axel M. Eriksson y Simone Gasparinetti, ha resuelto estos problemas utilizando circuitos superconductores. Han desarrollado un componente especial llamado resonador SNAIL (Superconducting Nonlinear Asymmetric Inductive eLement).

Los SNAIL son elementos de circuitos superconductores con una fuerte no linealidad ajustable. Consiste en un bucle superconductivo con uniones Josephson, barreras aislantes delgadas que permiten que los pares de Cooper (pares enlazados de electrones) atraviesen por túnel. Al disponer las uniones de forma asimétrica, han creado un elemento de circuito con inductancia no lineal.

“Hemos creado un sistema que realiza operaciones complejas sobre un sistema cuántico de múltiples estados más rápido que nunca.”

– Autora principal Dra. Simone Gasparinetti, líder del 202Q-lab en la Universidad de Chalmers

Lo esencial que hizo el equipo de Chalmers fue colocar un resonador SNAIL dentro de una cavidad microondas superconductora, que es un modo bosónico para codificar información cuántica. Aplicaron pulsos de microondas a este sistema híbrido y activaron y desactivaron la no linealidad en el SNAIL para realizar todo tipo de operaciones cuánticas de forma rápida y precisa.

Computación cuántica de variable continua

Una de las características únicas del enfoque del equipo de Chalmers es que va más allá del paradigma del qubit y utiliza estados cuánticos de variable continua (CV).

En un sistema cuántico CV, la información se codifica en las cuadraturas de amplitud y fase de un oscilador armónico, como el campo de una cavidad de microondas. Esas cuadraturas pueden tomar un rango continuo de valores, no solo 0 y 1 como los qubits.

Según la autora principal Dra. Simone Gasparinetti, líder del 202Q-lab en la Universidad de Chalmers:

“Hemos creado un sistema que permite operaciones extremadamente complejas sobre un sistema cuántico de múltiples estados, a una velocidad sin precedentes.”

El enfoque CV tiene ventajas sobre la computación cuántica de variable discreta. (i) En primer lugar, un solo modo CV puede codificar la información equivalente a varios qubits, lo que significa menos hardware para la computación cuántica tolerante a fallas. (ii) En segundo lugar, la naturaleza de los estados CV permite mejores códigos de corrección de errores, los cuales son necesarios para la computación cuántica con ruido y decoherencia.

Sin embargo, un gran problema en la computación cuántica CV son las operaciones no gaussianas, que son necesarias para la computación cuántica universal. Las operaciones gaussianas como el desplazamiento y el compresión del estado del oscilador pueden realizarse con elementos ópticos lineales o circuitos de microondas, pero eso no es suficiente para lograr una ventaja cuántica porque pueden ser simuladas clásicamente.

Las operaciones no gaussianas requieren interacciones no lineales, que son mucho más difíciles de crear y controlar. Intentos previos de combinar modos CV con elementos no lineales han sido frustrados por el efecto Kerr, que distorsiona la información cuántica y reduce la fidelidad de la operación.

El equipo de Chalmers ha resuelto esto diseñando la no linealidad dentro del resonador SNAIL. Operan el SNAIL en un punto llamado “libre de Kerr”, donde la no linealidad Kerr no deseada se suprime, y se preserva la no linealidad de tercer orden necesaria para las operaciones no gaussianas.

“Nuestra comunidad a menudo ha intentado mantener los elementos superconductores alejados de los osciladores cuánticos, para no desordenar los frágiles estados cuánticos. En este trabajo, hemos desafiado este paradigma. Al incrustar un dispositivo de control en el corazón del oscilador, pudimos evitar desordenar los numerosos estados cuánticos y, al mismo tiempo, poder controlarlos y manipularlos. Como resultado, demostramos un nuevo conjunto de operaciones de puertas realizadas a muy alta velocidad.”

– Simone Gasparinetti

Un conjunto universal de puertas

Para demostrar lo que pueden hacer, han creado un conjunto universal de puertas en su plataforma de resonador SNAIL. Esto incluye puertas gaussianas como desplazamiento y compresión y una puerta de fase cúbica, que es no gaussiana.

Las puertas gaussianas se crearon aplicando pulsos de microondas a frecuencias específicas al circuito SNAIL. Conducir a la frecuencia fundamental produce desplazamiento, y conducir a dos veces la frecuencia fundamental produce compresión. Esto sirve para preparar y manipular estados coherentes y comprimidos, que son los bloques para el procesamiento de información cuántica CV.

La puerta de fase cúbica se creó combinando una interacción de “tricomprensión” (conduciendo a tres veces la frecuencia fundamental) con impulsos a frecuencias más bajas. Esto aplica un desplazamiento de fase no lineal al estado del oscilador que es proporcional al cubo de la amplitud, de ahí el nombre “fase cúbica”.

La puerta de fase cúbica es necesaria para la computación cuántica CV universal porque genera estados altamente no clásicos como los estados Gottesman‑Kitaev‑Preskill (GKP), que sirven para la corrección de errores cuánticos tolerante a fallas. La puerta de fase cúbica combinada con puertas gaussianas produce un estado no gaussiano determinista llamado “estado de fase cúbica”.

Las puertas creadas por el equipo de Chalmers se realizaron con pulsos tan cortos como decenas de nanosegundos. Eso es de 10 a 100 veces más rápido que implementaciones anteriores con acoplamientos disipativos qubit‑oscilador. Esto se debe a la fuerte no linealidad del resonador SNAIL.

Preparación determinista del estado de fase cúbica

Otro ejemplo es el equipo de Chalmers que utiliza su conjunto universal de puertas para crear un estado cuántico altamente no clásico llamado estado de fase cúbica. Los estados de fase cúbica son necesarios para la corrección de errores cuánticos, la metrología cuántica y la computación cuántica basada en mediciones CV.

La preparación del estado de fase cúbica se realizó aplicando puertas al estado fundamental (vacío) del resonador SNAIL. Primero, se aplicó una puerta de compresión de 20 ns para crear un estado de vacío comprimido. Luego, se aplicó una puerta de fase cúbica de 40 ns a ese estado comprimido, y voilà, un estado de fase cúbica con una cúbica de 0,11.

El estado se caracterizó con tomografía de Wigner, que genera una distribución en el espacio de fase del estado cuántico. La función de Wigner mostró una fuerte negatividad, lo cual es no clásico y no se observa en ningún estado de oscilador clásico.

La fidelidad del estado de fase cúbica respecto al estado objetivo fue del 92 %. Demostraron que la cúbica del estado puede incrementarse simplemente extendiendo la duración de la puerta de fase cúbica. Eso es mucho mejor que los métodos previos de preparación de estados, que requerían una reoptimización completa de la secuencia de control para cada valor de cúbica.

Espacio para mejoras y trabajo futuro

Aunque lo que ha logrado el equipo de Chalmers ya es encomiable, aún queda trabajo por hacer:

Resonador SNAIL

Una limitación de las operaciones cuánticas es el tiempo de coherencia del resonador SNAIL. Tienen tiempos de coherencia de unos pocos microsegundos, lo cual es suficiente por ahora, pero tiempos de coherencia más largos permitirán circuitos cuánticos más complejos y profundos. Optimizar los parámetros del circuito SNAIL para reducir el ruido de flujo, así como el blindaje y filtrado del entorno de microondas, son formas de mejorar la coherencia.

Esto incluye:

• Tiempo de coherencia del resonador SNAIL (unos pocos microsegundos son suficientes por ahora, pero tiempos más largos permitirán circuitos más complejos)
• Optimizar los parámetros del circuito SNAIL para reducir el ruido de flujo
• Blindaje y filtrado del entorno de microondas

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Escalabilidad

Otro aspecto a mejorar es la escalabilidad. El experimento se realizó con un solo SNAIL, pero una computadora cuántica a gran escala necesita múltiples SNAILs. Para escalar, se podrían usar varios SNAILs, cada uno conectado a su propia cavidad de microondas. Esta configuración permite la creación de puertas multi‑qubit y estados entrelazados mediante el diseño del acoplamiento entre las cavidades. Sin embargo, eso requiere control sobre la fabricación y el ajuste de los SNAILs para que sean homogéneos y reproducibles.

• Escalabilidad (un SNAIL ahora, pero una computadora cuántica a gran escala necesita múltiples)
• Una matriz de SNAILs, cada uno con su propia cavidad de microondas
• Puertas multi‑qubit y estados entrelazados a través de la matriz mediante el acoplamiento entre cavidades
• Control sobre la fabricación y el ajuste de los SNAILs para que sean homogéneos y reproducibles

Además de escalar el número de modos CV, también necesitamos escalar el número de fotones en cada modo. La no linealidad del resonador SNAIL se desvía de su comportamiento ideal a mayores números de fotones, lo que limita el tamaño del espacio de Hilbert computacional. 

Una forma de solucionar esto es usar un diseño multi‑SNAIL en el que la no linealidad de cada SNAIL se ingenia para cancelarse en órdenes superiores mientras se preservan las interacciones de orden inferior.

Otros avances plausibles incluyen:

• Más modos CV
• Más fotones en cada modo
• La no linealidad en el resonador SNAIL hace que se desvíe del comportamiento ideal a mayores números de fotones
• Limita el tamaño del espacio de Hilbert computacional
• Diseño multi‑SNAIL: la no linealidad de cada SNAIL se cancela en órdenes superiores mientras se preservan las interacciones de orden inferior

De cara al futuro, el equipo de Chalmers desea integrar su plataforma de resonador SNAIL con otras arquitecturas de computación cuántica para crear sistemas híbridos. Por ejemplo, las interacciones mediadas por SNAIL pueden usarse para entrelazar qubits superconductores y modos CV y crear estados multi‑qubit complejos. Las puertas CV rápidas y eficientes de este trabajo pueden usarse para la corrección de errores cuánticos en qubits codificados, lo que producirá procesadores cuánticos más robustos y escalables.

Una perspectiva emocionante es integrar la plataforma de resonador SNAIL con sistemas cuánticos ópticos. Los circuitos superconductores son adecuados para la computación cuántica, operan a frecuencias de microondas y a temperaturas criogénicas. En contraste, los sistemas cuánticos ópticos, que funcionan a temperatura ambiente, son ideales para la comunicación cuántica a larga distancia. Al desarrollar un convertidor de frecuencia cuántico, podemos combinar lo mejor de ambos mundos para crear una computadora cuántica escalable y en red.

Conclusión

Lo que ha logrado el equipo de Chalmers es un avance importante para las computadoras cuánticas prácticas. Han utilizado no linealidad ajustable en circuitos superconductores para desarrollar una computadora cuántica eficiente en hardware y controlable, capaz de realizar rápida y precisamente operaciones complejas sobre estados cuánticos multidimensionales.

Esto representa un nuevo paradigma en la computación CV‑NISQ. Los resonadores SNAIL pueden resolver problemas difíciles en química cuántica, optimización y aprendizaje automático. A medida que esta tecnología madure y escale, abrirá aplicaciones que no son posibles con computadoras clásicas.

Sin embargo, construir computadoras cuánticas a gran escala y tolerantes a fallas sigue presentando desafíos considerables, incluyendo el tiempo de coherencia de los circuitos superconductores, el número de qubits y modos CV, y las interfaces entre plataformas de computación cuántica.

A pesar de estos desafíos, la computación cuántica como ciencia aplicada ha avanzado mucho, y el equipo de Chalmers ha jugado un papel fundamental en superar sus barreras. Han ampliado la caja de herramientas de la computación cuántica y nos han mostrado nuevas formas de usar la mecánica cuántica. Ahora, estamos un paso más cerca de una computación cuántica accesible.

A medida que la teoría y los experimentos avanzan más rápido, el futuro de la computación cuántica nunca se ha visto mejor. Las computadoras cuánticas ofrecerán aceleraciones exponenciales para una amplia gama de tareas computacionales en campos como el descubrimiento de fármacos, el diseño de materiales, la criptografía y la inteligencia artificial. combinadas con avances en tecnologías como la IA, estos desarrollos nos aseguran que el mundo está al borde de cambios transformadores que es difícil imaginar completamente.

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