Entendiendo los Qubits – Avances en Teleportación e Interacción Controlada

Mucho está sucediendo en el mundo de la computación cuántica. El gigante de los chips Nvidia (NVDA ) ha lanzado una plataforma de código abierto CUDA-Q para acelerar los esfuerzos de computación cuántica, mientras que China ha creado su chip de computación cuántica más grande. Además, hay científicos de la Universidad de Manchester que han desarrollado silicio ultra puro que allana el camino para los ordenadores de próxima generación.

Todo este entusiasmo y desarrollo en torno a los ordenadores cuánticos tiene sentido, ya que la tecnología posee un inmenso potencial en diversos campos, incluyendo la criptografía, el descubrimiento de fármacos, la resolución de problemas complejos de optimización, la mejora de algoritmos de aprendizaje automático y mucho más.

Los ordenadores cuánticos pueden lograr todo esto aprovechando la teoría cuántica, que describe el comportamiento y la naturaleza de la materia y la energía a nivel atómico e incluso subatómico. La computación cuántica utiliza partículas subatómicas como fotones y electrones. Los qubits (bits cuánticos) permiten que esas partículas existan en múltiples estados simultáneamente y son manipulados por dispositivos de control.

Para alcanzar velocidades exponencialmente más rápidas que un ordenador tradicional mientras consumen menos energía, los ordenadores cuánticos utilizan la superposición y el entrelazamiento.

La superposición implica combinar dos o más estados cuánticos para crear otro estado cuántico válido. La superposición de qubits permite que los ordenadores cuánticos procesen millones de operaciones simultáneamente.

El entrelazamiento ocurre cuando dos sistemas están vinculados de modo que conocer el estado de uno brinda conocimiento inmediato del otro. Esto permite que los ordenadores cuánticos resuelvan problemas complejos a gran velocidad.

El problema aquí es la decoherencia, que es la pérdida del estado cuántico en un qubit debido a factores como radiación, vibración o cambios de temperatura. Esto provoca errores en el cálculo. Para proteger los qubits de la interferencia, se colocan en cámaras de vacío, aislamiento y refrigeradores súper enfriados.

Como vimos, los qubits juegan un papel crítico en la creación de la computación cuántica, pero no todo se conoce sobre ellos. Sin embargo, dos experimentos independientes recientes han ampliado nuestra comprensión de los qubits, marcando un paso importante hacia la construcción de un ordenador cuántico funcional.

Teletransportación Cuántica Lograda

Nuevas investigaciones han logrado con éxito la teletransportación cuántica a pesar de todo el ruido que típicamente interrumpe la transferencia del estado cuántico. En la teletransportación, un qubit se transfiere de un lugar a otro sin enviar la partícula en sí.

En teoría, la transferencia del estado cuántico puede realizarse sin ningún problema, pero en el mundo real, las interrupciones y el ruido degradan la calidad de la teletransportación cuántica. Por lo tanto, los investigadores del último estudio descubrieron que lograr una teletransportación cuántica perfecta a pesar del ruido es una gran hazaña.

Publicado en la revista Science Advances, el estudio habla sobre cómo el entrelazamiento y la decoherencia son fuerzas contrarias en muchos protocolos y tecnologías cuánticas.

Según la investigación, el entrelazamiento cuántico que ocurre en correlaciones que abarcan distancias arbitrariamente largas es muy significativo para los fundamentos de la mecánica cuántica. Tiene muchas aplicaciones en el procesamiento de información y la comunicación. Sin embargo, las interacciones entre un sistema cuántico y su entorno son inevitables, y la decoherencia puede degradar gravemente el rendimiento de estas aplicaciones.

Aunque existen muchos protocolos prometedores de supresión de decoherencia con trabajos recientes que explotan subespacios libres de decoherencia, desacoplamiento dinámico, códigos de corrección de errores cuánticos, retroalimentación cuántica coherente retardada y la ingeniería de reservorios con subsistemas auxiliares, evitar la decoherencia es extremadamente exigente en la práctica.

Como tal, el estudio propuso un protocolo eficiente para la teletransportación cuántica en ausencia total de decoherencia.

El estudio realizado por investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, Hefei, y de la Universidad de Turku, Finlandia, utilizó entrelazamiento híbrido multipartito entre los qubits auxiliares y sus entornos locales dentro del contexto de sistemas cuánticos abiertos, lo que permitió alcanzar una alta precisión.

Según los investigadores, la óptica lineal es una plataforma particularmente robusta para ejecutar diferentes protocolos de información cuántica y estudiar problemas con decoherencia.

El trabajo de este estudio, según Jyrki Piilo, profesor de la Universidad de Turku, utiliza la noción de entrelazamiento distribuido. Esta distribución de entrelazamiento va más allá de los qubits utilizados y se realiza antes de operar el protocolo. Esto significa “explotar el entrelazamiento híbrido entre diferentes grados de libertad físicos”, dijo Piilo.

Tradicionalmente, la polarización de fotones se ha utilizado para entrelazar qubits en la teletransportación. Sin embargo, el nuevo enfoque aprovecha el entrelazamiento híbrido entre la polarización de fotones y la frecuencia.

Esto supone un gran cambio en cómo el ruido influye en el protocolo. El descubrimiento, de hecho, “invierte el papel del ruido, de ser perjudicial a ser beneficioso para la teletransportación”, afirmó Piilo.

Tradicionalmente, el protocolo de teletransportación no funciona cuando no solo hay ruido durante el entrelazamiento de qubits, sino también cuando el entrelazamiento híbrido está presente inicialmente sin ningún ruido. En contraste, al contar con entrelazamiento híbrido y luego añadir ruido, tanto la teletransportación como la transferencia del estado cuántico ocurren casi perfectamente.

De esta manera, el último descubrimiento permite una teletransportación casi ideal a pesar del ruido asociado al uso de fotones.

Los investigadores denominan esto un “experimento de prueba de concepto significativo”, con el Dr. Zhao-Di Liu de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, Hefei, señalando:

“Aunque hemos realizado numerosos experimentos sobre diferentes facetas de la física cuántica con fotones en nuestro laboratorio, fue muy emocionante y gratificante ver que este experimento de teletransportación tan desafiante se completó con éxito.”

El estudio señaló que, además de combatir la decoherencia, el entrelazamiento híbrido también les ha ayudado a añadir otra capa de seguridad. El estudio afirmó:

“Sería una línea de investigación futura interesante investigar cuán profundamente puede ocultarse la información teletransportada”.

Esto es solo el comienzo, ya que el estudio tiene una importancia fundamental al abrir nuevas vías para trabajos futuros en protocolos cuánticos al servir como investigación base. Una forma en que la técnica puede aplicarse es en la transferencia de estados fuera de la teletransportación cuántica y más allá de los subespacios libres de decoherencia.

La investigación también abre la posibilidad de ver si la decoherencia puede revertirse en otras plataformas físicas, incluyendo diferentes fuentes de ruido.

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Realizando una Puerta de Dos Qubits en un Transistor de Silicio Convencional

El otro estudio, que fue realizado por investigadores de la universidad más antigua de Suiza, la Universidad de Basel, en colaboración con los del Centro Nacional de Competencia en Investigación (NCCR) SPIN, logró un avance al obtener una interacción controlable entre dos qubits de espín de hueco en un transistor de silicio tradicional.

Publicado en Nature, el estudio, que recibió financiación de acceso abierto de la Universidad de Basel, señaló que los qubits de espín semiconductor ofrecen el potencial de emplear la tecnología de transistores industriales para producir ordenadores cuánticos a gran escala.

Para que un ordenador cuántico realice cálculos, necesita “puertas cuánticas”, que son operaciones que manipulan los qubits y los acoplan entre sí. Los investigadores del último estudio lograron no solo acoplar dos qubits, sino también provocar un giro controlado de uno de sus espines, que depende del estado del espín del otro. El acoplamiento depende de la interacción de intercambio de los dos qubits de espín.

“Los espines de hueco nos permiten crear puertas de dos qubits que son tanto rápidas como de alta fidelidad. Este principio ahora también hace posible acoplar un mayor número de pares de qubits.”

– Dr. Andreas Kuhlmann

Los investigadores ya demostraron hace un par de años que los espines de hueco en un dispositivo electrónico existente pueden ser atrapados y utilizados como qubits. Ahora, Kuhlmann lideró a este equipo de físicos de Basel al éxito en la realización de una interacción entre dos qubits que puede controlarse.

Aunque los qubits en cuestión se benefician de ser controlables eléctricamente y de contar con puntos óptimos para anular la carga y el ruido, demostrar una interacción de dos qubits ha sido un desafío.

Un factor faltante, según el estudio, ha sido la comprensión del acoplamiento de intercambio durante una fuerte interacción espín-órbita. Para abordar esto, los científicos investigaron dos qubits de espín de hueco en un transistor de efecto de campo fin (FinFET) de silicio. El acoplamiento espín-órbita significa que el estado de espín de un hueco se ve afectado por su movimiento a través del espacio.

Así, los qubits de espín de punto cuántico semiconductor (QD) se consideran los más adecuados para futuras implementaciones de circuitos cuánticos a gran escala. Sin embargo, incluso el procesador cuántico basado en espín más avanzado actualmente permite el control universal de seis qubits de espín de electrones en silicio (Si). Esto es seguido de cerca por una demostración de cuatro qubits con huecos en germanio.

Para el estudio, los investigadores utilizaron un qubit que emplea el espín de un electrón o un hueco. Tanto los electrones como los huecos giran y adoptan el estado arriba o abajo.

Los espines de hueco, comparados con los espines de electrones, pueden controlarse completamente de forma eléctrica sin necesidad de degeneración orbital o componentes adicionales como micromagnetos integrados, lo que añade complejidad al sistema. Esto se debe a su interacción espín-órbita (SOI) intrínseca. Los huecos también se benefician de una interacción hiperfina reducida y de la ausencia de un valle.

De este modo, el estudio demuestra la capacidad de controlar eléctricamente el intercambio y realizar un giro de espín condicional en 24 ns. El Hamiltoniano de intercambio ya no tiene la forma de Heisenberg y puede diseñarse para habilitar puertas de rotación controlada de dos qubits sin sacrificar velocidad por precisión o viceversa. Según la investigación:

“Este comportamiento ideal se aplica en un amplio rango de orientaciones del campo magnético, lo que hace que el concepto sea robusto respecto a variaciones de qubit a qubit, indicando que es un enfoque adecuado para realizar un ordenador cuántico a gran escala.”

Este estudio sugiere el potencial de organizar millones de qubits de espín de hueco en un solo chip. Su enfoque también muestra una gran posibilidad para el desarrollo de un ordenador cuántico a gran escala.

Se requieren mejoras futuras en la fabricación de dispositivos para reducir la variabilidad. Cuando se combinan con puntos óptimos de rotación controlada (CROT) robustos, estos avances “harán que las operaciones de puertas de dos qubits con intercambio anisotrópico sean altamente atractivas para matrices de qubits a gran escala”.

Los avances de la investigación, si se combinan con una lectura rápida y operación por encima de 1 K, pueden permitir que el FinFET se utilice como un procesador cuántico universal dispuesto en un chip usado en electrónica de control clásica.

Empresas Involucradas en el Desarrollo de Ordenadores Cuánticos

Ahora, echemos un vistazo a las empresas que trabajan activamente en ordenadores cuánticos:

#1. IBM

IBM ha liderado la investigación en computación cuántica durante muchos años y desarrolló IBM Q System One, el primer ordenador cuántico comercial basado en circuitos. La empresa ofrece acceso a sus sistemas cuánticos a través de la plataforma IBM Quantum Experience.

A principios de este mes, IBM presentó su procesador cuántico Condor de más de 1.000 qubits y su procesador de escala utilitaria IBM Quantum Heron con 133 qubits. También anunció el lanzamiento de un ordenador cuántico modular, Quantum System Two. Mientras tanto, a través del conjunto de software Qiskit, IBM busca hacer que el desarrollo de la computación cuántica sea ampliamente accesible.

Este año, el laboratorio nacional de investigación japonés RIKEN anunció que desplegará el procesador cuántico y la arquitectura de ordenador cuántico de IBM para integrarlos con el superordenador Fugaku.

La investigación reciente de la empresa en el campo, mientras tanto, incluye:

• Memoria cuántica tolerante a fallos de alto umbral y bajo sobrecosto.
• Codificación de un estado mágico con fidelidad superior al punto de equilibrio.
• Simulación de cadenas de espín cuántico de gran tamaño en ordenadores cuánticos superconductores basados en la nube.

Al momento de escribir, las acciones de la empresa cotizan a $167.36, con un aumento del 2.33% en lo que va del año, mientras que su capitalización de mercado es de $153.73 mil millones. IBM ha reportado ingresos (TTM) de $62.07 mil millones, EPS (TTM) de 9.19 y P/E (TTM) de 18.22. El rendimiento de dividendos es del 3.99%.

Durante su reciente informe financiero del primer trimestre de 2024, IBM vio que sus ingresos aumentaron un 1.5% interanual durante el trimestre a $14.5 mil millones y su flujo de caja libre a $1.9 mil millones. La empresa señala que su “crecimiento sólido de ingresos y flujo de caja libre” refleja la fortaleza de su estrategia de nube e IA.

#2. Google 

En el mundo de la computación cuántica, Google ha avanzado con su laboratorio Quantum AI, que trabaja tanto en hardware como en software. Hace algunos años, la división lanzó Sycamore, un procesador cuántico de 53 qubits. Actualmente, el hardware del gigante tecnológico se centra en qubits superconductores mientras que su avanzado conjunto de software explora el potencial de la computación cuántica.

Hace un par de meses, Google lanzó una competencia global de varios años para encontrar casos de uso del mundo real para la computación cuántica con un premio de $5 millones, que se dividirá entre los finalistas. Google señaló en marzo:

“Aunque existen muchas razones para ser optimistas sobre el potencial de la computación cuántica, todavía estamos algo en la oscuridad respecto al alcance completo de cómo, cuándo y para qué problemas del mundo real esta tecnología demostrará ser más transformadora.”

La investigación reciente de la empresa en este campo incluye la supresión de errores cuánticos mediante la ampliación de un qubit lógico de código de superficie, la transición de fase en muestreo de circuitos aleatorios y el entrelazamiento y teletransportación inducidos por medición en un procesador cuántico ruidoso.

Al momento de escribir, las acciones de la empresa cotizan a $107.48, con un aumento del 21.94% en lo que va del año, mientras que su capitalización de mercado es de $2.12 billones. Google ha reportado ingresos (TTM) de $218.14 mil millones con un EPS (TTM) de 6.52 y un P/E (TTM) de 26/13. Paga un rendimiento de dividendos del 0.47%.

En sus resultados del primer trimestre de 2024, la empresa reportó un aumento del 13% en ingresos a $86.3 mil millones, una utilidad neta de $20.28 mil millones y el primer dividendo de $20 por acción. En la primavera de 2024, su capitalización de mercado alcanzó un nuevo hito de $2 billones, convirtiéndola en la cuarta empresa pública más valiosa del mundo.

Conclusión

Ha existido una carrera por construir un ordenador cuántico funcional, por lo que los investigadores están centrados en comprender los qubits y trabajar con diferentes tecnologías de qubits. Los qubits son la base del ordenador cuántico ya que manejan todo el procesamiento, transferencia y almacenamiento de datos. Por lo tanto, toda la investigación se ha centrado en los qubits, incluidos los dos últimos presentados aquí, que buscan ayudar en la construcción de un ordenador cuántico práctico.

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