Los expertos británicos han sido pioneros en un nuevo enfoque, los enlaces fonónicos cuánticos, que permitirán la transferencia escalable de información cuántica a larga distancia entre futuros chips de computación cuántica.
Investigadores de la Universidad de Warwick, en colaboración con el Consejo Nacional de Investigación de Canadá (NRC), han desvelado un nuevo concepto que aborda una de las mayores barreras tecnológicas para la computación cuántica a gran escala: transferir eficientemente información cuántica entre qubits a través de un chip semiconductor.
El Dr. Maxim Mironov, del Departamento de Física de la Universidad de Warwick, explica: “Uno de los desafíos clave de la computación cuántica es la conectividad de qubits de larga distancia.
«Nuestro trabajo introduce un nuevo concepto en el que los fonones actúan como un bus cuántico, permitiendo que qubits distantes intercambien información cuántica sin dejar de ser totalmente compatibles con la tecnología de semiconductores».
Publicado en APL Quantum, el equipo de investigación presenta enlaces fonónicos cuánticos (QPL), un método de comunicación propuesto que utiliza vibraciones similares a sonidos conocidas como fonones para transmitir información cuántica entre qubits separados por largas distancias. Este enfoque está diseñado para soportar futuros procesadores cuánticos que contengan millones de qubits.
El desarrollo exitoso de esta tecnología podría proporcionar una alternativa más escalable y rentable a los métodos existentes para conectar qubits distantes. La compatibilidad con los procesos establecidos de fabricación de semiconductores también podría simplificar la producción de hardware de computación cuántica comercial.
Abordar los desafíos clave de la computación cuántica
Los procesadores cuánticos actuales normalmente sólo permiten la comunicación directa entre qubits adyacentes.
Aunque esta arquitectura es suficiente para equipos experimentales a pequeña escala, plantea un obstáculo importante para el desarrollo de computadoras cuánticas prácticas que puedan resolver problemas científicos e industriales complejos.
Se espera que los futuros sistemas cuánticos requieran millones de qubits distribuidos en chips semiconductores de hasta 300 mm de diámetro. Mover eficientemente información cuántica entre estos qubits distantes sigue siendo uno de los principales desafíos de ingeniería que enfrenta la industria.
La investigación dirigida por Warwick propone utilizar fonones, pequeñas vibraciones mecánicas que viajan a través de materiales sólidos, como una red de comunicación incorporada.
Este concepto permite que los qubits colocados en cualquier lugar de un chip intercambien información cuántica a través de oscilaciones cuidadosamente controladas, en lugar de depender únicamente de conexiones vecinas.
Los materiales semiconductores especiales permiten la comunicación.
El QPL propuesto se basa en un material especial conocido como germanio sobre silicio tensado por compresión (cs-GoS), desarrollado en la Universidad de Warwick utilizando técnicas avanzadas de crecimiento epitaxial.
Dentro de este material, los qubits son extremadamente sensibles a pequeñas vibraciones mecánicas que se propagan a través de la fina capa de germanio.
Los investigadores demostraron que manipulando con precisión estas oscilaciones es posible, en principio, transferir información cuántica entre qubits, ya sea que estén colocados uno al lado del otro o espaciados a lo largo de toda la superficie de una oblea semiconductora.
Este mecanismo de comunicación incorporado podría proporcionar una forma más eficiente de coordinar la enorme cantidad de qubits necesarios para la computación cuántica tolerante a fallas.
Un camino más sencillo hacia los procesadores cuánticos comerciales
Los enfoques existentes para vincular qubits distantes a menudo se basan en sistemas de microondas u ondas acústicas de superficie generadas externamente, que añaden complejidad y hardware adicional al chip cuántico.
En cambio, el concepto QPL integra mecanismos de comunicación directamente en el material semiconductor que alberga el qubit. Esto elimina la necesidad de componentes de comunicación separados y al mismo tiempo mantiene la compatibilidad con las técnicas tradicionales de fabricación de semiconductores.
Aunque este concepto aún se encuentra en etapa de investigación, proporciona un marco prometedor para la creación de procesadores cuánticos compactos y escalables.
Al incorporar comunicaciones de largo alcance directamente dentro de la arquitectura del chip, QPL podría ayudar a acelerar el desarrollo de computadoras cuánticas de próxima generación que puedan procesar información cuántica a una escala sin precedentes.
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