Tecnologías de las computadoras cuánticas - Parte I

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Computación Cuántica

Tecnologías de las computadoras cuánticas - Parte I

Beatriz Varona | jul 02, 2020

Parte I - Qubits Superconductores

Los computadores cuánticos, como ya se describió en “Introducción a la Computación Cuántica - Parte I” e “Introducción a la Computación Cuántica - Parte II”, son muy distintos a los ordenadores convencionales. Esto se debe a que utilizan las leyes de la mecánica cuántica, y los bits cuánticos llamados qubits, pueden tomar los valores 0, 1, o ambos a la vez, a diferencia de los bits clásicos, que solo pueden tomar los valores 0 ó 1 cada vez. La propiedad de un qubit de poder ser 0 y 1 al mismo tiempo, se conoce como superposición. Si los qubits se encuentran en superposición de estados y se entrelazan entre sí, una computadora cuántica puede funcionar de una forma mucho más rápida que una computadora convencional.

Los ordenadores cuánticos no cuentan, por ejemplo, con memoria o disco duro. Simplemente tienen un conjunto de qubits con una arquitectura aparentemente más sencilla, lo que los hace muy distintos a los ordenadores clásicos. Por el momento, son dispositivos muy voluminosos que se asemejan a los computadores clásicos primigenios.

En una computadora cuántica, la información se almacena en los qubits y en la relación entre ellos. Por lo tanto, a mayor número de qubits, mayor cantidad de información podrá ser almacenada. Dependiendo del número de qubits, n, que haya en el dispositivo, habrá un estado de superposición de 2^n estados posibles (si son por ejemplo 3 qubits, tendremos 8 probabilidades de forma simultánea). El entrelazamiento de los qubits permite también el proceso de teleportación cuántica, con el que se puede transmitir información a largas distancias, aunque este intercambio de información no puede viajar más rápido que la velocidad de la luz.

Las tecnologías que se utilizan en la construcción de computadoras cuánticas, son por lo general muy difíciles de fabricar, ya que requieren condiciones especiales como temperaturas cercanas al cero absoluto, mecanismos muy frágiles, aislamiento casi completo del entorno, o protección contra la radiación. La fabricación de estos dispositivos es generalmente un proceso muy difícil y costoso, y cuantos más qubits se quieran implementar en los dispositivos, mayor es el desafío.

Hoy en día no existe una única tecnología a la hora de construir computadoras cuánticas, ya que estas técnicas aún están en desarrollo y cada una tiene sus ventajas e inconvenientes. Las computadoras cuánticas que más se utilizan son las basadas en qubits superconductores. En cualquier caso, en este y en los próximos artículos de la serie, se explorarán las principales tecnologías cuánticas que se pueden utilizar para la fabricación de qubits. ¡No os los perdáis!

Superconductores

Las computadoras cuánticas formadas por qubits superconductores, se han convertido en las más populares, ya que las grandes empresas como IBM o Google, utilizan circuitos superconductores para crear sus computadoras cuánticas. Además, Google anunció haber conseguido la supremacía cuántica el pasado 20 de septiembre de 2019 con un ordenador cuántico que utilizaba esta tecnología. Recordemos que la supremacía cuántica, como ya hemos explicado en el artículo de esta misma serie “La Carrera por alcanzar la Supremacía Cuántica. Google vs IBM”, hace referencia a un dispositivo de computación cuántica que supera incluso a la mejor supercomputadora existente en la actualidad y que resuelve problemas que los ordenadores clásicos no pueden hacer.

Los circuitos eléctricos de las computadoras cuánticas de superconductores, utilizan materiales como el aluminio para evitar que haya resistencia. La temperatura de estos circuitos es extremadamente baja, ya que ronda los -272ºC, consiguiendo así que la disipación de energía no degrade la información cuántica. Para enfriar los circuitos se utiliza helio líquido.

Cada qubit es un circuito LC, es decir, son circuitos eléctricos que tienen un condensador eléctrico (C) y una bobina (L), y se manipula su estado de energía para representar una superposición de |0⟩ y |1⟩. El procesador cuántico de la Figura 1 contiene 4 qubits.

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Figura 1. Diseño de un dispositivo de cuatro qubits superconductores. Fuente: Modificado de IBM Research.

Para conseguir que la superposición entre |0⟩ y |1⟩ se limite únicamente a esos dos estados o niveles de energía y no se alcancen estados superiores, (Figura 2), es necesario incluir uniones de Josephson en los circuitos superconductores. Estas uniones contienen dos electrodos superconductores de aluminio con un acoplador formado por un aislante muy delgado (Figura 3). De este modo, el circuito se comporta como un átomo con dos niveles de energía cuántica, es decir, funciona perfectamente como un qubit.

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Figura 2. En los circuitos superconductores se tiene que provocar la superposición entre los estados |0⟩ y |1⟩, pero evitar los estados o niveles de energía superiores. Fuente: QUANTUM-LAB.

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Figura 3. Qubit con una unión de Josephson. Fuente: MEDIUM.

Se envían pulsos electromagnéticos a frecuencias de microondas para realizar las operaciones cuánticas y la duración del pulso controla el ángulo de rotación del estado qubit de acuerdo con la esfera de Bloch. Como vimos en el artículo “Introducción a la Computación Cuántica - Parte II”, la esfera de Bloch es una representación de estados en 3 dimensiones en forma de esfera de radio 1. Los estados de un qubit van de φ a θ, donde φ comprende valores de 0 a 2π, y θ valores de 0 a π (Figura 4). Los distintos pulsos electromagnéticos, van a formar las distintas puertas cuánticas. Estas son similares a las puertas lógicas en la computación clásica, pero a diferencia de éstas, son reversibles.

Captura de pantalla 2020-07-02 a las 1.46.01Figura 4. Visualización de un qubit con la esfera de Bloch. Fuente: WIKIPEDIA.

Para medir, determinar y controlar los estados de los qubits, se analiza la amplitud y la onda de la señal que se refleja al enviar pulsos de microondas.

En la Figura 5 se muestra un esquema de un ordenador cuántico de IBM. Abajo a la derecha dentro de la parte “Cryoperm Shield”, es donde se encuentra el procesador cuántico. Está aislado herméticamente, protegido de la radiación electromagnética y de perturbaciones ambientales. La zona donde se encuentra el procesador cuántico es la más fría de la computadora, ya que se encuentra a 15 milikelvins (-273,14 ºC). En el esquema también se pueden ver los cables utilizados para enviar los pulsos de microondas al procesador y cómo se miden usando los amplificadores de la izquierda.

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Figura 5. Esquema de un ordenador cuántico. Fuente: IBM.

Todo este mecanismo se encuentra recubierto por un cilindro y guardado en un cubículo de vidrio para protegerlo, mantener la temperatura, aislarlo del exterior y absorber las vibraciones. En el caso del ordenador Q System One de IBM, se encuentra en un cubo de vidrio hermético de 2,7 x 2,7 metros (Figura 6). Nadie, salvo los investigadores y personas que trabajan con estos aparatos, puede acercarse a las computadoras cuánticas.

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Figura 6. Ordenador cuántico Q System One de IBM. Está herméticamente protegido en un cubo de vidrio hermético de 2,7 x 2,7 metros. Fuente: Xataka.

La gran desventaja de los qubits superconductores es que deben mantenerse a temperaturas muy bajas, lo que requiere un coste muy elevado. Por el contrario, su gran ventaja es que los qubits superconductores tienen tiempos de coherencia altos. Esto quiere decir que son estables durante el tiempo suficiente para poder controlarlos correctamente y que funcionen bien como qubits.

Aunque las computadoras cuánticas formadas por circuitos superconductores parecen ser la mejor opción, en los siguientes artículos profundizaremos y explicaremos más tecnologías utilizadas en la construcción de estos dispositivos.

Ya está disponible la segunda parte de este artículo. Puedes leerlo aquí.

 

Bibliografía

Blais, A. (2015). Superconducting qubits. Quantum Lab. quantum-lab.org/qip2015/slides/QIP2015-Alexandre%20Blais.pdf

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Hui, J. (2019). How to build a Quantum Computer with Superconducting Circuit?. Medium. medium.com/@jonathan_hui/qc-how-to-build-a-quantum-computer-with-superconducting-circuit-4c30b1b296cd

Karpuzcu, U., Resch, S. (2019). Quantum Computing: An Overview Across the System arxiv.org/pdf/1905.07240.pdf

Popkin, G. (2016). Scientists are close to building a quantum computer that can beat a conventional one. Sciencemag. sciencemag.org/news/2016/12/scientists-are-close-building-quantum-computer-can-beat-conventional-one

IBM Research: research.ibm.com

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