Tecnologías de las computadoras cuánticas - Parte II

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Computación Cuántica

Tecnologías de las computadoras cuánticas - Parte II

Beatriz Varona | jul 28, 2020

Parte II - Trampa de iones y puntos cuánticos

En este artículo de la serie Tecnologías de las Computadoras Cuánticas, continuamos explorando la física de los ordenadores cuánticos y las distintas tecnologías que se utilizan en su construcción. En el pasado artículo de la serie, “Tecnologías de las Computadoras Cuánticas - Parte I”, vimos los ordenadores cuánticos formados por materiales superconductores que, hasta la fecha, se ha demostrado que es la tecnología que mejor funciona. No obstante, en esta segunda parte de la serie, vamos a ver otras dos tecnologías; la trampa de iones y los puntos cuánticos.

Trampa de iones

Esta tecnología consiste en atrapar iones utilizando campos eléctricos, magnéticos, o una combinación de ambas para que funcionen como bits cuánticos o qubits. Con el fin de aislar a los qubits del ambiente y reducir el ruido ambiental de forma que no interaccionen con nada, se introducen en una cámara de ultra alto vacío.

Los iones son átomos que tienen una carga eléctrica. Un ejemplo muy común es la utilización de iones de calcio o de iterbio cargados positivamente. Se aplica un láser de enfriamiento para inducir que los estados del qubit se acoplen entre sí y así lograr un estado de superposición.

En College Park, Maryland (USA), se encuentra la sede de la empresa IonQ. Aquí, para la construcción de computadoras cuánticas se utilizan iones atrapados. En el caso de IonQ, este utiliza átomos de iterbio, ya que una vez que se consigue que estén en un estado cuántico de forma estable, pueden permanecer así mucho tiempo. El iterbio se utiliza generalmente para la fabricación de relojes atómicos.
En la Figura 1 podemos ver un chip cuántico de la empresa IonQ con un montaje de varios iones superpuestos de forma lineal.

Captura de pantalla 2020-07-27 a las 13.53.45Figura 1. Chip cuántico de IonQ de iones atrapados. Fuente: PHYSICSWORLD.

Los láseres que se utilizan en estos dispositivos enfrían los qubits una milésima por encima del cero absoluto (-273,14 ºC), lo que reduce el ruido y hace que los qubits se queden en un estado casi estacionario y sean fáciles de controlar. Pero no requieren la refrigeración de ninguna otra parte del equipo, por lo que tiene la gran ventaja de que no necesita un equipo criogénico muy grande, ya que todo el sistema puede ocupar aproximadamente un metro cúbico.

Después de realizarse cualquier cálculo, se utiliza un láser en todos los iones al mismo tiempo para medir el estado en el que se encuentran los qubits.

Además, estas computadoras cuánticas poseen gran cantidad de ventajas, como por ejemplo que tienen una larga vida útil y una buena capacidad de control de los iones con láser, ya que el tiempo en el que permanecen los qubits estables y controlables, es más largo en comparación con la de un circuito superconductor (Figura 2).

 

Figura 2. Comparación de los qubits superconductores y los de iones atrapados. Fuente: sciencemag.

Otra ventaja de las trampas de iones atrapados es que todos los átomos son idénticos, mientras que en los dispositivos cuánticos superconductores, el rendimiento de la puerta para cada qubit es ligeramente diferente. Esto reduce el error y mejora la estabilidad.

Por otra parte, como desventaja, las operaciones que se realizan son bastante lentas y se necesitan muchos láseres para aumentar la velocidad (Figura 2). Las computadoras cuánticas superconductoras necesitan temperaturas muy cercanas al cero absoluto y un refrigerador diluido para conseguirlo, mientras que las que utilizan trampas de iones, necesitan una cámara de ultra alto vacío, por lo que ambas tecnologías son bastante caras.

Puntos cuánticos

Los puntos cuánticos también llamados qubits de espín, se pueden usar para confinar electrones individuales. Estos electrones son usados como qubits, y para manipularlos y excitarlos, se puede utilizar luz polarizada o bien campos eléctricos o magnéticos.

Daniel Loss y David P. DiVicenzo, en 1997, hicieron una propuesta para un ordenador cuántico que consistía en utilizar los giros (el espín) del electrón como bits cuánticos. Los electrones individuales orbitan el centro de un punto cuántico de forma similar a como lo hacen los átomos. Un electrón puede ocupar un rango de posibles posiciones en el punto, trazando una órbita cuya forma está determinada por las reglas de la mecánica cuántica (Ver Esfera de Bloch en “Introducción a la Computación Cuántica - Parte II”). Este va a girar hacia arriba o hacia abajo y va a determinar si el qubit es un 1 o un 0.

En la Figura 3 podemos ver un esquema de la propuesta de funcionamiento Loss-DiVicenzo. Las compuertas eléctricas superiores, “top gates”, aplicando un voltaje, se utilizan para acercar o alejar electrones y para controlar las interacciones entre ellos. De esta forma, se pueden atraer y aislar a los electrones de forma individual debajo de las compuertas para formar los puntos cuánticos. El giro o espín del electrón va a ser nuestro bit cuántico o qubit, y como los electrones se van a mover de forma individual, es fácil medir la corriente que producen. Los estados de los qubits se pueden manipular aplicando un campo magnético perpendicular B0.

Los pares de electrones adyacentes deben acoplarse. En la Figura 3, vemos que los dos puntos cuánticos de la izquierda están desacoplados, mientras que los dos de la derecha están acoplados.

Captura de pantalla 2020-07-27 a las 13.59.08Figura 3. Esquema de la propuesta Loss-DiVicenzo. Fuente: CAROLA MEYER.

Los puntos cuánticos son muy útiles ya que el espín de un electrón es casi ideal a la hora de procesar de información cuántica. Aunque para que puedan funcionar correctamente, estos puntos cuánticos deben ser lo más idénticos y uniformes que sea posible.

Un avance muy importante de esta tecnología de qubits de puntos cuánticos, es que la temperatura que requiere puede ser 15 veces mayor que la empleada en la tecnología de qubits superconductores, usada por ejemplo en empresas como Google o IBM (mayor de 1 kelvin). No obstante, esto sigue siendo una desventaja (Figura 4), ya que hay que mantenerlo a temperaturas criogénicas y su fabricación es muy cara, aunque no tanto comparada con la tecnología de circuitos superconductores.

Captura de pantalla 2020-07-27 a las 14.00.04Figura 4. Ventajas y desventajas de los qubits de puntos cuánticos de silicio. Fuente: sciencemag.

La empresa Intel, destaca en sus investigaciones en qubits de spin. Intel utiliza una tecnología basada en matrices bidimensionales de puntos cuánticos en piezas de silicio, un semiconductor para sus investigaciones en computación cuántica. Con una red de no más de 30x30 micrómetros, creen que se puedan integrar unos 1024 qubits. En la Figura 5 podemos ver un chip de qubits de spin desarrollado por Intel.

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Figura 5. Chip de computación cuántica de qubits de spin de Intel, colocado sobre un borrador de lápiz. Fuente: Intel.

Se espera que, en un futuro próximo, las computadoras cuánticas superen a las clásicas. No obstante, debemos seguir investigando en las posibles tecnologías para su fabricación.

Seguiremos profundizando en las tecnologías utilizadas para construir computadoras cuánticas en los siguientes artículos de esta misma serie.

 

Bibliografía:

Blais, A. (2015). Which quantum computer is right for you?. Quantum Lab. quantum-lab.org/qip2015/slides/QIP2015-Alexandre%20Blais.pdf

Cerletti, V. et al. (2005), Recipes for spin-based quantum computing. arxiv.org/pdf/cond-mat/0412028.pdf

Courses edX. The Hardware of a Quantum Computer. courses.edx.org/courses/course-v1:DelftX+QTM2x+3T2019/course
gefes-rsef.org/tag/quantum-dots

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

IBM Research: research.ibm.com

Intel Newsroom: newsroom.intel.com

IONQ. ionq.com

Meyer, C. (2009), Quantum Computing with Semiconductor Quantum Dots. fz-juelich.de/SharedDocs/Downloads/PGI/PGI-6/EN/meyer_004.pdf?__blob=publicationFile

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

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

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