Entendiendo Qubits – Avances en Teletransportación y Interacción Controlada

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

Toda esta emoción y desarrollo en torno a las computadoras cuánticas tiene sentido, dado que la tecnología tiene un enorme potencial en diversos campos, incluyendo criptografía, descubrimiento de fármacos, resolución de problemas de optimización complejos, mejora de algoritmos de aprendizaje automático y mucho más.

Las computadoras cuánticas pueden lograr todo esto aprovechando la teoría cuántica, que es el comportamiento y la naturaleza de la materia y la energía a niveles atómicos y subatómicos. 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 manejar velocidades exponencialmente más rápidas que una computadora tradicional mientras consume menos energía, las computadoras cuánticas utilizan superposición y entrelazamiento.

La superposición implica sumar dos o más estados cuánticos para crear otro estado cuántico válido. La superposición de qubits permite que las computadoras cuánticas procesen millones de operaciones simultáneamente.

El entrelazamiento ocurre cuando dos sistemas están vinculados de tal manera que conocer el estado de uno da conocimiento inmediato sobre el otro. Esto permite que las computadoras cuánticas resuelvan problemas complejos a una velocidad rápida.

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

Como vimos, los qubits desempeñan un papel fundamental en la computación cuántica, pero no todo se conoce sobre ellos. Sin embargo, dos experimentos independientes recientes han ampliado nuestra comprensión de los qubits, lo que marca un paso importante hacia la construcción de una computadora cuántica funcional.

Teletransportación Cuántica Lograda

Una nueva investigación ha logrado la teletransportación cuántica a pesar de todo el ruido que normalmente 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 se puede realizar sin problemas, pero en el mundo real, las interrupciones y los ruidos degradan la calidad de la teletransportación cuántica. Así que los investigadores en el estudio más reciente encontraron que lograr la teletransportación cuántica perfecta a pesar del ruido es un gran logro.

Publicado en la revista Science Advances, el estudio habla sobre cómo el entrelazamiento y la decoherencia son fuerzas contrarias de 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 hay muchos protocolos de supresión de decoherencia prometedores con trabajos recientes que explotan subespacios libres de decoherencia, acoplamiento dinámico, códigos de corrección de errores cuánticos, retroalimentación cuántica coherente retrasada y ingeniería de reservorio con subsistemas auxiliares, evitar la decoherencia es extremadamente exigente en la práctica.

Así que el estudio propuso un protocolo eficiente para la teletransportación cuántica en decoherencia absoluta.

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

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

El trabajo en este estudio, según Jyrki Piilo, un 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 física”, 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 trae 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 al principio sin ruido. En cambio, cuando se tiene entrelazamiento híbrido y luego se agrega ruido, tanto la teletransportación como la transferencia de estado cuántico ocurren casi perfectamente.

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

Los investigadores llaman a esto un “experimento de prueba de principio significativo”, con el Dr. Zhao-Di Liu de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, Hefei, anotando:

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

El estudio señaló que, además de luchar contra la decoherencia, el entrelazamiento híbrido también les ha ayudado a traer otra capa de seguridad. El estudio declaró:

“Sería una línea de investigación interesante para investigar cuán profundo se puede ocultar la información teletransportada”.

Es solo el comienzo, con el estudio teniendo importancia fundamental en la apertura de nuevos caminos para futuras investigaciones en protocolos cuánticos al tener este como base de investigación. Una forma en que se puede aplicar la técnica es en la transferencia de estado 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 se puede revertir en otras plataformas físicas, incluyendo diferentes fuentes de ruido.

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

El otro estudio, que fue realizado por investigadores de Suiza, la universidad más antigua de Suiza, la Universidad de Basilea, en colaboración con los de The National Center of Competence in Research (NCCR) SPIN, logró un avance al obtener una interacción controlable entre dos qubits de spin de huecos en un transistor de silicio tradicional.

Publicado en Nature, el estudio, que recibió financiamiento de acceso abierto de la Universidad de Basilea, señaló que los qubits de spin de semiconductor ofrecen el potencial de emplear la tecnología de transistor industrial para producir computadoras cuánticas a gran escala.

Para que una computadora cuántica realice cálculos, necesita “puertas cuánticas”, que son operaciones que manipulan los qubits y los acoplan entre sí. Los investigadores en el estudio más reciente lograron no solo acoplar dos qubits, sino también provocar un giro condicional de uno de sus spins, que depende del estado de spin del otro. El acoplamiento depende de la interacción de cambio de los dos qubits de spin.

“Los spins de huecos permiten crear puertas de dos qubits que son rápidas y de alta fidelidad. Este principio ahora también hace posible acoplar un número mayor de pares de qubits”.

– Dr. Andreas Kuhlmann

Los investigadores ya han demostrado hace un par de años que los spins de huecos en un dispositivo electrónico existente pueden ser atrapados y utilizados como qubits. Ahora, Kuhlmann lideró a este equipo de físicos de Basilea para lograr el éxito en la realización de una interacción entre dos qubits que puede ser controlada .

Mientras que los qubits en cuestión se benefician de ser controlables eléctricamente y tener puntos dulces para negar la carga y el ruido, demostrar una interacción de dos qubits ha sido desafiante.

Un factor que faltaba, según el estudio, ha sido la comprensión del acoplamiento de cambio durante una interacción de spin-órbita fuerte. Para abordar esto, los científicos investigaron dos qubits de spin de huecos en un transistor de silicio “FinFETs” o transistor de efecto de campo de aleta. La interacción de spin-órbita significa que el estado de spin de un hueco se ve afectado por su movimiento a través del espacio.

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

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

Los spins de huecos, en comparación con los spins de electrones, pueden ser controlados completamente de manera eléctrica sin la necesidad de degeneración orbital o componentes adicionales como imanes micromagnéticos en chip, que agregan complejidad a la ecuación. Esto se debe a su interacción de spin-órbita intrínseca (SOI). Los huecos también se benefician de una interacción hiperfina reducida y la ausencia de un valle.

Así que el estudio demuestra la capacidad de controlar eléctricamente el intercambio y realizar un giro condicional de spin en 24 ns. El hamiltoniano de intercambio ya no tiene la forma de Heisenberg y se puede ingenierizar para permitir puertas de rotación controlada de dos qubits sin sacrificar la velocidad por la precisión o viceversa. Según la investigación:

“Este comportamiento ideal se aplica en un amplio rango de orientaciones de campo magnético, lo que lo hace robusto con respecto a las variaciones de qubit a qubit, lo que indica que es un enfoque adecuado para realizar una computadora cuántica a gran escala”.

Este estudio sugiere el potencial para organizar millones de qubits de spin de huecos en un solo chip. Su enfoque también muestra una gran posibilidad para el desarrollo de una computadora cuántica a gran escala.

Se requieren mejoras futuras en la fabricación de dispositivos para reducir la variabilidad. Cuando se combinan con puntos dulces de rotación controlada (CROT) robustos, estos avances “harán que las operaciones de puerta de dos qubits con intercambio anisotrópico sean muy 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 FinFET se utilice como un procesador cuántico universal dispuesto en un chip utilizado en electrónica de control clásica.

Empresas Involucradas en el Desarrollo de Computadoras Cuánticas

Ahora, veamos las empresas que están activamente trabajando en computadoras cuánticas:

#1. IBM

IBM ha estado liderando la investigación en computación cuántica durante muchos años y desarrolló el sistema IBM Q System One, la primera computadora cuántica comercial basada en circuitos. La empresa proporciona acceso a sus sistemas cuánticos a través de la plataforma IBM Quantum Experience.

Hace unos días, IBM presentó su procesador cuántico de 1,000+ qubits Condor y su procesador de utilidad a escala IBM Quantum Heron con 133 qubits. También anunció el lanzamiento de una computadora cuántica modular, Quantum System Two. Mientras tanto, a través de la pila de software Qiskit, IBM apunta a 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 computadora cuántica de IBM para integrarla con la supercomputadora Fugaku.

La investigación reciente de la empresa en este campo incluye:

• Memoria cuántica de alta umbral y baja sobrecarga tolerante a fallos.
• Codificación de un estado mágico con fidelidad más allá del umbral de rotura.
• Simulación de cadenas de spin cuántico de gran tamaño en computadoras cuánticas superconductivas basadas en la nube.

Al momento de escribir, las acciones de la empresa se negocian a $167.36, con un alza 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 informe financiero reciente del primer trimestre de 2024, IBM vio aumentar sus ingresos en un 1.5% interanual durante el trimestre a $14.5 mil millones y un flujo de efectivo libre de $1.9 mil millones. La empresa señala que su “crecimiento sólido de ingresos y flujo de efectivo” refleja la fortaleza de su estrategia de nube y IA.

#2. Google

En el mundo de la computación cuántica, Google ha estado haciendo avances con su laboratorio de inteligencia artificial cuántica, que trabaja en hardware y software. Hace unos años, la división lanzó Sycamore, un procesador cuántico de 53 qubits. Actualmente, el hardware de la empresa de tecnología se centra en qubits superconductores, mientras que su pila de software avanzada explora el poder de la computación cuántica.

Hace unos 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 hay muchas razones para ser optimista sobre el potencial de la computación cuántica, todavía estamos algo en la oscuridad sobre el alcance completo de cómo, cuándo y para qué problemas del mundo real esta tecnología resultará más transformadora”.

La investigación reciente de la empresa en este campo incluye:

Al momento de escribir, las acciones de la empresa se negocian a $107.48, con un alza 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, EPS (TTM) de 6.52 y P/E (TTM) de 26/13. Paga un rendimiento de dividendos del 0.47%.

Para su informe de ganancias del primer trimestre de 2024, la empresa reportó un salto del 13% en los ingresos a $86.3 mil millones, una ganancia 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, lo que la convirtió en la cuarta empresa pública más valiosa del mundo.

Conclusión

Ha habido una carrera para construir una computadora cuántica funcional, para lo cual los investigadores se centran en entender los qubits y trabajar con diferentes tecnologías de qubits. Los qubits son la base de la computadora cuántica, ya que manejan todo el procesamiento, la transferencia y el almacenamiento de datos. Por lo tanto, toda la investigación ha estado sucediendo alrededor de los qubits, incluyendo los dos más recientes cubiertos aquí, que apuntan a ayudar en la construcción de una computadora cuántica práctica.

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