BOSTON. Un grupo de físicos del MIT y otros lugares han registrado, por primera vez, la «coherencia temporal» de un qubit de grafeno, es decir, cuánto tiempo puede mantener un estado especial que le permita representar dos estados lógicos simultáneamente. La demostración, que usó un nuevo tipo de qubit basado en grafeno, representa un paso crítico para la computación cuántica práctica.
«Nuestra motivación es utilizar las propiedades únicas del grafeno para mejorar el rendimiento de los qubits superconductores», dice el autor principal Joel I-Jan Wang, quien tiene un postdoctorado en el grupo de Oliver en el Laboratorio de Investigación de Electrónica (RLE) en el MIT.
«En este trabajo, mostramos por primera vez que un qubit superconductor hecho de grafeno es temporalmente coherente cuántica, un requisito clave para construir circuitos cuánticos más sofisticados. El nuestro es el primer dispositivo que muestra un tiempo de coherencia medible, una métrica primaria de qubit – eso es lo suficientemente largo para que los humanos lo controlen», expresó.
El estudio publicado en la revista Nature Nanotechnology, del pasado 31 de diciembre, por un equipo de 16 coautores, combinó la experiencia de los coautores William D. Oliver, profesor de física de la práctica y Lincoln Laboratory Fellow cuyo trabajo se centra en los sistemas de computación cuántica, y Pablo Jarillo-Herrero, el profesor de física Cecil e Ida Green en el MIT que investiga las innovaciones en el grafeno; incluido Daniel Rodan-Legrain, un estudiante graduado en el grupo de Jarillo-Herrero que contribuyó igualmente al trabajo con Wang; investigadores del MIT de RLE, el Departamento de Física, el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación y el Laboratorio Lincoln; e investigadores del Laboratorio de Sólidos Irradiados de la Ecole Polytechnique y del Laboratorio de Materiales Avanzados del Instituto Nacional de Ciencia de los Materiales.
Los bits cuánticos superconductores (simplemente, los qubits) son átomos artificiales que utilizan diversos métodos para producir bits de información cuántica, el componente fundamental de las computadoras cuánticas. Al igual que los circuitos binarios tradicionales en las computadoras, los qubits pueden mantener uno de los dos estados correspondientes a los bits binarios clásicos, un 0 o 1. Pero estos qubits también pueden ser una superposición de ambos estados simultáneamente, lo que podría permitir a las computadoras cuánticas resolver problemas complejos que son prácticamente imposibles para las computadoras tradicionales.
La cantidad de tiempo que estos qubits permanecen en este estado de superposición se conoce como su «tiempo de coherencia». Cuanto más largo sea el tiempo de coherencia, mayor será la capacidad del qubit para calcular problemas complejos.
Recientemente, los investigadores han incorporado materiales basados en grafeno en dispositivos de computación cuántica superconductores, que prometen una computación más rápida y eficiente, entre otras ventajas. Hasta ahora, sin embargo, no ha habido coherencia registrada para estos qubits avanzados, por lo que no se sabe si son factibles para la computación cuántica práctica.
En el artículo los investigadores demuestran, por primera vez, un qubit coherente hecho de grafeno y materiales exóticos. Estos materiales permiten al qubit cambiar de estado a través del voltaje, al igual que los transistores en los chips de computadora tradicionales de hoy en día, y a diferencia de la mayoría de los otros tipos de qubits superconductores. Además, los investigadores pusieron un número a esa coherencia, marcándola a 55 nanosegundos, antes de que el qubit vuelva a su estado fundamental.
Un sándwich de grafeno prístino
Los qubits superconductores se basan en una estructura conocida como «unión de Josephson», donde un aislante (generalmente un óxido) se intercala entre dos materiales superconductores (generalmente aluminio). En los diseños tradicionales de qubit sintonizable, un bucle de corriente crea un pequeño campo magnético que hace que los electrones salten de un lado a otro entre los materiales superconductores, lo que hace que el qubit cambie de estado.
Pero esta corriente que fluye consume mucha energía y causa otros problemas. Recientemente, unos pocos grupos de investigación han reemplazado el aislante con grafeno, una capa de carbono de un átomo de espesor que no es costosa de producir en masa y tiene propiedades únicas que podrían permitir un cálculo más rápido y eficiente.
Para fabricar su qubit, los investigadores recurrieron a una clase de materiales, llamados materiales de van der Waals, materiales finos atómicos que se pueden apilar como Legos uno encima del otro, con poca o ninguna resistencia o daño.
Estos materiales se pueden apilar de maneras específicas para crear varios sistemas electrónicos. A pesar de su calidad de superficie casi impecable, solo unos pocos grupos de investigación han aplicado materiales de van der Waals a los circuitos cuánticos, y ninguno ha demostrado previamente que muestre una coherencia temporal.
Para la unión de Josephson, los investigadores colocaron una lámina de grafeno entre las dos capas de un aislante de van der Waals llamado nitruro de boro hexagonal (hBN).
Es importante destacar que el grafeno adquiere la superconductividad de los materiales superconductores que toca. Los materiales de van der Waals seleccionados se pueden fabricar para guiar los electrones utilizando el voltaje, en lugar del campo magnético tradicional basado en la corriente. Por lo tanto, también puede el grafeno – y también lo puede hacer todo el qubit.
Cuando se aplica voltaje al qubit, los electrones rebotan entre dos conductores superconductores conectados por grafeno, cambiando el qubit de la tierra (0) al estado excitado o de superposición (1). La capa hBN inferior sirve como sustrato para alojar el grafeno.
La capa superior hBN encapsula el grafeno, protegiéndolo de cualquier contaminación. Debido a que los materiales son tan prístinos, los electrones que viajan nunca interactúan con defectos. Esto representa el «transporte balístico» ideal para los qubits, donde la mayoría de los electrones se mueven de un conductor superconductor a otro sin dispersarse con impurezas, lo que produce un cambio rápido y preciso de estados.
Cómo ayuda el voltaje
El trabajo puede ayudar a abordar el «problema de escalamiento» del qubit, dice Wang. Actualmente, solo unos 1.000 qubits pueden caber en un solo chip. Tener qubits controlados por voltaje será especialmente importante ya que millones de qubits comienzan a estar abarrotados en un solo chip.
«Sin el control de voltaje, también necesitarás miles o millones de bucles de corriente, y eso ocupa mucho espacio y lleva a la disipación de energía», dice.
Además, el control de voltaje significa una mayor eficiencia y una focalización más localizada y precisa de qubits individuales en un chip, sin «diálogo cruzado». Eso sucede cuando un poco del campo magnético creado por la corriente interfiere con un qubit que no está apuntando, causando problemas de cálculo.
Por ahora, el qubit de los investigadores tiene una breve vida útil. Para referencia, los qubits superconductores convencionales que son prometedores para la aplicación práctica han documentado tiempos de coherencia de unas pocas decenas de microsegundos, unos cientos de veces más que el qubit de los investigadores.
Pero los investigadores ya están abordando varios problemas que causan esta corta vida útil, la mayoría de los cuales requieren modificaciones estructurales. También están utilizando su nuevo método de sondeo de coherencia para investigar más a fondo cómo los electrones se mueven balísticamente alrededor de los qubits, con el objetivo de ampliar la coherencia de los qubits en general.
Referencia:
Massachusetts Institute of Technology
Computer Chip Architecture, Technology and Manufacture
Nano Technology News From SpaceMart.com
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