Los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han demostrado que un tipo de qubit cuya arquitectura es más adecuada para la producción en masa puede tener un rendimiento comparable al de los qubits que actualmente dominan el campo. Con una serie de análisis matemáticos, los científicos han proporcionado una hoja de ruta para crear qubits simples que permitan una producción robusta y confiable de estos componentes básicos de computadoras cuánticas.
Esta investigación se realizó como parte del Centro de Co-Diseño para Quantum Advantage (C2QA), un Centro Nacional de Investigación de Ciencias de la Información Cuántica del DOE dirigido por Brookhaven Lab, y se basa en años de colaboración científica centrada en mejorar el rendimiento de los qubits para computadoras cuánticas escalables. Recientemente, los científicos han estado trabajando para aumentar el tiempo que los qubits retienen información cuántica, una propiedad conocida como coherencia que está estrechamente relacionada con la calidad de la unión de un qubit.
Se centraron específicamente en qubits superconductores cuya arquitectura incluye dos capas superconductoras separadas por un aislante. Esta parte del qubit se conoce como unión SIS para superconductor-aislante-superconductor. Pero la fabricación fiable de este tipo de uniones tipo sándwich no es fácil, especialmente con la precisión necesaria para la producción a gran escala de ordenadores cuánticos.
“Hacer uniones SIS es realmente un arte”, afirmó Charles Black, coautor del artículo publicado recientemente. En el examen físico y director del Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Brookhaven Lab.
Black y Mingzhao Liu, científico senior de CFN y autor principal del artículo, han formado parte del C2Control de calidad desde su inicio en 2020. Y si bien ayudan a los científicos cuánticos a comprender la ciencia material de los qubits para mejorar su coordinación, también sienten curiosidad por la escalabilidad de esta industria de construcción de qubits y su compatibilidad con las necesidades inevitables. Construyendo computadoras cuánticas a gran escala.
Por eso, los científicos centraron su atención en las arquitecturas de qubits con uniones superconductoras que constan de dos capas conectadas por un fino cable superconductor en lugar de una capa aislante media. Conocidas como uniones de compresión, esta arquitectura se coloca plana en lugar de apilarse como un sándwich. Y lo que es más importante, el proceso de fabricación de uniones de compresión es coherente con los procedimientos estándar en las instalaciones de fabricación de semiconductores.
“En nuestro trabajo investigamos el impacto de estos cambios arquitectónicos”, dice Black. “Nuestro objetivo era comprender las ventajas y desventajas de rendimiento al cambiar a uniones de compresión”.
Aumento del flujo de corriente y sobre linealidad.
La arquitectura qubit superconductora más común funciona mejor cuando la unión que conecta los dos superconductores transmite sólo una pequeña cantidad de corriente. Aunque el aislante en el sándwich SIS evita casi toda la transmisión de corriente, es lo suficientemente delgado como para permitir que una pequeña cantidad pase por un proceso conocido como túnel cuántico.
“La arquitectura SIS es ideal para los qubits superconductores actuales, aunque es difícil de fabricar”, afirmó Black. “Pero sustituir el SIS por un condensador es algo contradictorio, ya que conduce mucha corriente internamente”.
A través de su análisis, los investigadores demostraron que es posible reducir la corriente que viaja a través de una unión de compresión a un nivel adecuado para un qubit superconductor. Sin embargo, el método requiere metales superconductores menos convencionales.
“Si utilizamos aluminio, tantalio o niobio, el alambre de compresión tiene que ser ineficientemente delgado”, explicó Liu. “Otros superconductores que no conducen bien nos permitirán realizar uniones de compresión a escala práctica”.
Sin embargo, las uniones contráctiles se comportan de manera diferente a sus contrapartes SIS. Por ello, los científicos también investigaron las consecuencias de estos cambios arquitectónicos.
Para funcionar, los qubits superconductores necesitan cierta no linealidad, lo que restringe el funcionamiento del qubit entre solo dos niveles de energía. Los superconductores no exhiben naturalmente un comportamiento no lineal; es la unión del qubit la que introduce esta característica clave.
Las uniones de construcción superconductoras son inherentemente más lineales que las uniones SIS probadas y verdaderas, lo que significa que son menos ideales para las arquitecturas qubit. Sin embargo, los científicos han descubierto que la no linealidad de la unión de compresión se puede ajustar mediante la selección de un material superconductor y el diseño apropiado del tamaño y la forma de la unión.
“Estamos entusiasmados con este trabajo porque dirige a los científicos de materiales hacia objetivos específicos basados en los requisitos del dispositivo”, explicó Liu. Por ejemplo, los científicos identificaron que para los qubits que funcionan entre 5 y 10 GHz, que son comunes en la electrónica actual, es necesario que exista un cierto equilibrio entre la capacidad del material para transportar electricidad, determinada por su resistencia, y la no linealidad de la conexión.
“Algunas combinaciones de propiedades materiales no son viables para los qubits que funcionan a 5 GHz”, afirmó Black. Pero con materiales que cumplan los criterios descritos por los científicos de Brookhaven, los qubits con uniones de compresión pueden comportarse de manera similar a los qubits con uniones SIS.
Liu y Black están trabajando actualmente con su C.2Los colegas de control de calidad explorarán materiales que puedan cumplir con las especificaciones descritas en su nuevo artículo. En particular, los siliciuros de metales de transición superconductores han llamado su atención porque estos materiales ya se utilizan en la producción de semiconductores.
“En este trabajo, hemos demostrado que es posible reducir las propiedades asociadas a las uniones contráctiles”, afirmó Liu. “Así que ahora podemos empezar a explotar los beneficios de los procesos simples de fabricación de qubits”.
Este trabajo encarna C2Un principio fundamental de codiseño del control de calidad, ya que Liu y Black exploraron una arquitectura qubit que podría satisfacer las demandas de la computación cuántica y alinearse con las capacidades actuales de fabricación de productos electrónicos.
“Estas colaboraciones interdisciplinarias seguirán acercándonos a la realización de ordenadores cuánticos escalables”, afirmó Black. “Es casi difícil de creer que los humanos hayan logrado las computadoras cuánticas que tenemos hoy.2El control de calidad logra su objetivo”.