Ingenieros de la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW), en Australia, han eliminado un notable obstáculo que se interponía en el camino para la ampliación en el uso de los ordenadores cuánticos.

En particular, han desvelado una nueva técnica que, según dicen, será capaz de dominar millones de qubits de espín, las unidades básicas de información en un procesador cuántico de silicio.

Hasta actualmente, los ingenieros y investigadores especializados en ordenadores cuánticos habían trabajado con un modelo de evidencia de concepto de los procesadores cuánticos demostrando el control de solo un puñado de qubits. Pero con su última investigación, publicada en la revista ‘Science Advances’, el equipo ha hallado lo que consideran «la pieza que faltaba» en la arquitectura de los ordenadores cuánticos, que debería permitir el control de los millones de qubits imprescindibles para hacer cálculos extraordinariamente sofisticados.

El medico Jarryd Pla, maestro de la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Telecomunicaciones de la UNSW, asevera en una declaración que su equipo de investigación quería aclarar el inconveniente que había dejado perplejos a los investigadores de los ordenadores cuánticos durante decenios: cómo dominar no solamente unos escasos, sino millones de qubits sin ocupar un cosmos valioso con más cableado, usar más electricidad y generar más calor.

«Hasta este instante, el control de los qubits de espín de los electrones dependía de que suministráramos campos magnéticos de microondas poniendo una corriente por medio de un cable justo al lado del qubit», alude el medico Pla. Esto plantea varios contratiempos autenticos si queremos llegar a los millones de qubits que necesitará un ordenador cuántico para aclarar contratiempos relevantes a nivel mundial, como el boceto de nuevas vacunas».

«En primer sitio, los campos magnéticos disminuyen muy velozmente con la separación, así pues sólo podemos dominar los qubits más próximos al cable. Eso representa que tendríamos que añadir más y más cables a medida que introdujéramos más y más qubits, lo que ocuparía mucho cosmos en el chip».

Y como el chip debe funcionar a temperaturas muy bajas, por debajo de -270ºC, asevera que introducir más cables generaría muy calor en el chip, lo que interferiría en la fiabilidad de los qubits. «Así que regresamos a ser capaces de dominar sólo unos escasos qubits con esta técnica de cables», dice.

La solución a este inconveniente implicó una completa reimaginación de la estructura del chip de silicio. En vez de tener miles de cables de control en el mismo chip de silicio del tamaño de una miniatura que además debe contener millones de qubits, el equipo estudió la probabilidad de generar un campo magnético desde la parte superior del chip que pudiera manipular todos los qubits simultáneamente.

Esta idea de dominar todos los qubits simultáneamente fue planteada por vez primera por los investigadores de la computación cuántica en los años 90, pero hasta actualmente nadie había hallado una forma práctica de realizarlo. «Primero quitamos el cable al lado a los qubits y después ideamos una forma novedosa de suministrar campos de control magnéticos de frecuencia de microondas en todo el sistema. Así que, en comienzo, podríamos suministrar campos de control a hasta cuatro millones de qubits», asevera Pla.

Introdujeron un reciente componente directamente encima del chip de silicio: un prisma de cristal denominado resonador dieléctrico. Cuando las microondas se dirigen al resonador, éste enfoca la longitud de onda de las microondas hasta un tamaño mucho menor.

El resonador dieléctrico reduce la longitud de onda por debajo de un milímetro, así pues actualmente poseemos una conversión muy eficiente de la energía de microondas en el campo magnético que controla los espines de todos los qubits».

«Hay dos innovaciones clave -destaca-. La primera es que no poseemos que poner abundante energía para conseguir un campo de conducción fuerte para los qubits, lo que simboliza, fundamentalmente, que no generamos mucho calor. La segunda es que el campo es muy uniforme en todo el chip, de modo que millones de qubits ensayan el mismo nivel de control».

Si bien el medico Pla y su equipo habían desarrollado el prototipo de la tecnología del resonador, no poseían los qubits de silicio para probarlo. Así que habló con su colega de ingeniería de la UNSW, el maestro de Scientia Andrew Dzurak, cuyo equipo había comprobado en la última década la primera y más precisa lógica cuántica usando la misma tecnología de fabricación de silicio empleada para realizar chips de ordenador convencionales.

«Me quedé totalmente sorprendido cuando Jarryd vino a verme con su nueva idea -recuerda el maestro Dzurak-, e inmediatamente nos pusimos a trabajar para ver cómo podíamos integrarla con los chips de qubits que mi equipo ha desarrollado . Pusimos a dos de nuestros mejores alumnos de doctorado en el plan, Ensar Vahapoglu, de mi equipo, y James Slack-Smith, del de Jarryd. Nos alegramos mucho cuando el experimento tuvo éxito. Este inconveniente de cómo dominar millones de qubits me había inquieto durante mucho tiempo, dado que era un obstáculo notable para edificar un ordenador cuántico a gran nivel».

Los ordenadores cuánticos, que anteriormente solo se soñaban en los años 80, que usan miles de qubits para aclarar contratiempos de importancia comercial, pueden estar actualmente a menos de una década de separación. Más allá de eso, se espera que aporten una nueva potencia de fuego a la resolución de retos globales y al desarrollo de nuevas tecnologías debido a su capacidad para modelar equipos extraordinariamente sofisticados.

El cambio climático, el boceto de fármacos y vacunas, el descifrado de códigos y la inteligencia artificial pueden beneficiarse de la tecnología de la computación cuántica. El equipo tiene previsto utilizar esta tecnología punta para simplificar el boceto de procesadores cuánticos de silicio a corto plazo.

«La eliminación del cable de control en el chip libera cosmos para qubits adicionales y toda la demás electrónica necesaria para edificar un procesador cuántico. Hace que la tarea de pasar al siguiente paso de producir aparatos con algunas docenas de qubits sea mucho más fácil», asevera el maestro Dzurak. «Si bien hay retos de ingeniería que aclarar anteriormente de que se puedan fabricar procesadores con un millón de qubits, nos entusiasma el hecho de que actualmente tengamos una forma de controlarlos«, añade Pla.