Los qubits de espín de silicio cumplen los criterios necesarios para el procesamiento de información cuántica. Sin embargo, ha faltado una demostración de preparación y lectura de estado de alta fidelidad combinada con puertas de alta fidelidad de uno y dos qubits. Ahora, científicos de la Universidad de Princeton están dando un paso hacia el uso de tecnologías basadas en silicio en la computación cuántica.
Usando un dispositivo cuántico de silicio de dos qubits, los científicos obtuvieron un nivel de fidelidad sin precedentes por encima del 99 por ciento. Esta es la mayor fidelidad lograda para una puerta de dos qubits en un semiconductor y está a la par con los mejores resultados logrados por las tecnologías de la competencia.
Los científicos también pudieron capturar dos electrones y forzarlos a interactuar. El estado de espín de cada electrón se puede utilizar como un qubit y la interacción entre los electrones puede enredar estos qubits.
Esta operación es crucial para la computación cuántica, y los científicos realizaron esta operación con un nivel de fidelidad superior al 99,8 por ciento.
Adam Mills, estudiante de posgrado en el Departamento de Física de la Universidad de Princeton, dijo: “Los qubits de espín de silicio están cobrando impulso [in the field]. Parece un gran año para el silicio en general”.
“En un qubit, puede codificar ceros y unos, pero también puede tener superposiciones de estos ceros y unos. Esto significa que cada qubit puede ser simultáneamente un cero y un uno. Este concepto, llamado superposición, es una cualidad fundamental de la mecánica cuántica y permite que los qubits realicen operaciones que parecen asombrosas y de otro mundo. En términos prácticos, permite que la computadora cuántica tenga una mayor ventaja sobre las computadoras convencionales, por ejemplo, factorizando números muy grandes o aislando la solución más óptima para un problema”.
El giro en los qubits de giro es una propiedad cuántica que actúa como un pequeño dipolo magnético que se puede usar para codificar información. Mecánicamente cuánticamente, el espín del electrón puede alinearse con el campo magnético generado en el laboratorio, orientarse en forma antiparalela al área (espín hacia abajo) o estar en una superposición cuántica de espín hacia arriba y hacia abajo.
Mills dijo: “En general, los qubits giratorios de silicio tienen ventajas sobre otros tipos de qubits. La idea es que cada sistema tendrá que escalar a muchos qubits. Y en este momento, los otros sistemas qubit tienen limitaciones físicas reales para la escalabilidad. El tamaño podría ser un problema real con estos sistemas. Hay tanto espacio en el que puedes meter estas cosas”.
A diferencia del qubit superconductor convencional que tiene 300 micrones de ancho, este dispositivo cuántico de silicio de dos qubits tiene solo unos 100 nanómetros de ancho.
Jason Petta, profesor de física de Eugene Higgins en Princeton, dijo: “La otra ventaja de los qubits de espín de silicio es que la electrónica convencional actual se basa en tecnología de silicio. Nuestro sentimiento es que si desea hacer un millón o diez millones de qubits que se requieren para hacer algo práctico, eso solo sucederá en un sistema de estado sólido que se puede escalar utilizando la industria de fabricación de semiconductores estándar”.
“Uno de los cuellos de botella para la tecnología de spin qubits es que la fidelidad de la puerta de dos qubits hasta hace poco no ha sido tan alta. Ha estado muy por debajo del 90 por ciento en la mayoría de los experimentos”.
Para el experimento, los científicos primero necesitan capturar un solo electrón, llevarlo a una región específica del espacio y luego hacerlo bailar. Para ello, construyeron una jaula. Esto tomó la forma de un semiconductor delgado como una oblea hecho principalmente de silicio. El equipo diseñó pequeños electrodos en la parte superior de esto, lo que creó el potencial electrostático utilizado para acorralar al electrón. Dos de estas jaulas, cada una separada por una barrera o puerta, constituían el punto cuántico doble.
Al ajustar el voltaje en estas puertas, los científicos juntaron momentáneamente los electrones y los hicieron interactuar. Llamaron a esto como una puerta de dos qubits.
Debido a la interacción, cada qubit de espín evoluciona de acuerdo con el estado de su qubit de espín vecino, lo que provoca el entrelazamiento en los sistemas cuánticos.
Petta dijo que “los resultados de este experimento colocan esta tecnología, los qubits de giro de silicio, en pie de igualdad con los mejores resultados logrados por las otras tecnologías principales de la competencia. Esta tecnología está en una fuerte pendiente creciente, y creo que es solo cuestión de tiempo antes de que supere a los sistemas superconductores”.
“Otro aspecto importante de este documento es que no es solo una demostración de una puerta de dos qubits de alta fidelidad, sino que este dispositivo lo hace todo. Esta es la primera demostración de un sistema de qubit de espín de semiconductores en el que hemos integrado el rendimiento de todo el sistema: la preparación del estado, la lectura, el control de un solo qubit, el control de dos qubit, todo con métricas de rendimiento que superan el umbral que necesita. hacer que funcione un sistema a mayor escala”.
Referencia de la revista:
- Adam Mills, Charles Guinn, Michael Gullans et al. Procesador cuántico de silicio de dos qubits con una fidelidad de funcionamiento superior al 99 %. DOI: 10.1126/sciadv.abn5130
