Los investigadores de QuTech han desarrollado qubits de espín con saltos mortales para la lógica cuántica universal. Este logro puede permitir un control eficiente de grandes matrices de qubits de semiconductores. El grupo de investigación publicó una demostración de sus giros de salto y su trabajo en Nature Communications ciencia.
En 1998, Los y DiVincenzo publicaron un artículo titulado “Computación cuántica con puntos cuánticos”. En su trabajo original, se propuso el salto de espines como base de la lógica de qubits, pero falta una implementación experimental. Después de más de 20 años, los experimentos han puesto al día la teoría. Los investigadores de QuTech, una colaboración entre TU Delft y TNO, han demostrado que, de hecho, son posibles las “puertas de salto” originales con un rendimiento de última generación.
Facilidad de control
Los qubits basados en puntos cuánticos se estudian en todo el mundo porque se consideran una plataforma convincente para construir una computadora cuántica. El método más popular es atrapar un solo electrón y aplicar un campo magnético suficientemente grande, de modo que el espín del electrón pueda usarse como un qubit y controlarse mediante una señal de microondas.
Sin embargo, en este trabajo los investigadores demuestran que no se necesita ninguna señal de microondas. En cambio, la señal de banda base y un pequeño campo magnético son suficientes para lograr el control universal de qubit. Esto es beneficioso porque puede simplificar significativamente la electrónica de control necesaria para operar futuros procesadores cuánticos.
Del salto a los qubits
El control del giro requiere un mecanismo físico capaz de saltar de un punto a otro y girarlo. Inicialmente, la propuesta de Los y DiVincenzo utilizaba un tipo específico de imán, que resultó difícil de realizar experimentalmente. En cambio, el grupo de QuTech fue pionero en el germanio. Este semiconductor ya puede permitir convenientemente la rotación del espín. Esto está inspirado en un trabajo publicado en Nature Communications, donde Flor van Riegelen-Doelman y Corentin Deprez, del mismo grupo, muestran que el germanio puede servir como plataforma para saltar qubits de espín como base para crear enlaces cuánticos. Observaron los primeros indicios de rotación del espín.
Al considerar la diferencia entre qubits que saltan y dan volteretas, piense en las matrices de puntos cuánticos como un parque de trampolines, donde los espines de los electrones son como saltar. Por lo general, cada persona tiene un trampolín exclusivo, pero puede trasladarse a los trampolines vecinos si están disponibles. El germanio tiene una propiedad única: con solo saltar de un trampolín a otro, una persona siente un torque que le hace dar saltos mortales. Esta propiedad permite a los investigadores controlar eficazmente los qubits.
Chien-An Wang, primer autor del artículo de Science, señaló: “El germanio tiene la ventaja de tener espines alineados en diferentes direcciones en diferentes puntos cuánticos”. Resultó que se podían crear muy buenos qubits saltando espines entre dichos puntos cuánticos. “Medimos tasas de error de menos de mil para la puerta de un qubit y menos de cien para la puerta de dos qubit”.
Codo de salto mortal en un parque de trampolines
Después de establecer el control sobre dos giros en un sistema de cuatro puntos cuánticos, el equipo dio un paso más. En lugar de saltar espines entre dos puntos cuánticos, el equipo también investigó cómo saltar a través de varios puntos cuánticos. De manera análoga, esto correspondería a una persona que salta y da volteretas en muchos trampolines. El coautor Valentin John explica: “Para la computación cuántica, es necesario manipular y emparejar una gran cantidad de qubits con alta precisión”.
Las personas experimentan diferentes pares de torsión al saltar en diferentes trampolines y, de manera similar, los saltos entre puntos cuánticos también son el resultado de giros únicos. Por tanto, es importante identificar y comprender la variabilidad. El coautor Francesco Borsoi añadió: “Hemos establecido rutinas de control que permiten que cualquier punto cuántico en una matriz de 10 puntos cuánticos salte y gire, lo que nos permite buscar métricas clave de qubit en sistemas extendidos”.
Esfuerzo de equipo
“Estoy orgulloso de todo el trabajo en equipo”, añadió el investigador principal Menno Veldhorst. “En el transcurso de un año, el seguimiento de la rotación de los qubits debido a los saltos se ha convertido en una herramienta utilizada por todo el grupo. Creemos que desarrollar esquemas de control eficientes es importante para el funcionamiento de los futuros ordenadores cuánticos, y este nuevo enfoque es prometedor”.