Avances en qubits de spin para la computación cuántica

Los Qubits de spin en silicio son una opción prometedora para construir computadores cuánticos poderosos. A diferencia de las computadoras normales que usan bits como las unidades más pequeñas de información, los computadores cuánticos usan qubits. La característica única de los qubits de spin es su capacidad para almacenar información en el spin de los electrones. Este spin se puede voltear, permitiendo cálculos complejos que podrían superar a las computadoras clásicas.

#El desafío del Ruido

Un gran desafío al trabajar con qubits de spin es el ruido, que puede interrumpir sus operaciones. En silicio, el ruido de baja frecuencia proviene principalmente de los spins nucleares y las fluctuaciones de carga. Estos factores de ruido pueden reducir la precisión de las operaciones de los qubits, lo que hace crucial encontrar formas de minimizar su efecto.

#Configuración del dispositivo

Los investigadores han creado un dispositivo específico de dos qubits usando silicio natural y germanio. Este dispositivo permite el control total sobre los qubits y está diseñado para probar cuán precisas pueden ser las operaciones de qubit sin purificar el silicio. Los componentes clave del dispositivo incluyen diferentes compuertas que gestionan las interacciones entre qubits, permitiendo un control preciso sobre su comportamiento.

#Logros en Fidelidad de qubits

Usando técnicas avanzadas y diseños de dispositivos, los investigadores lograron resultados impresionantes. Pudieron realizar operaciones en qubits individuales con un alto grado de precisión, superior al 99% de fidelidad. Al probar una operación de dos qubits, conocida como la compuerta Controlada-Z (CZ), registraron una fidelidad del 91%. Esto muestra que incluso en silicio natural, es posible realizar operaciones de alta fidelidad.

#Creando estados de Bell

Un aspecto importante de la computación cuántica es entrelazar qubits, que pueden medirse como estados de Bell. Estos estados son cruciales para la comunicación y el cálculo cuántico. Los investigadores utilizaron un método llamado compuertas CZ desacopladas para preparar estados de Bell con una fidelidad del 91%. Este resultado es alentador ya que sugiere que el silicio natural puede ser un material competitivo en computación cuántica.

#La necesidad de Corrección de Errores Cuánticos

Para la computación cuántica práctica, es esencial proteger a los qubits de perder su coherencia con el tiempo. Esto se logra a menudo a través de un método llamado corrección de errores cuánticos. Necesita muchos qubits trabajando juntos de manera eficiente y precisa para garantizar cálculos duraderos.

#Mejoras por purificación isotópica

Trabajos anteriores se enfocaron en mejorar el rendimiento de los qubits utilizando silicio purificado isotópicamente, lo que elimina algunos spins nucleares. Este enfoque aumentó la fidelidad de las operaciones de qubit. Sin embargo, se descubrió que incluso con la purificación, las mejoras en cuanto a cuánto tiempo los qubits mantenían sus estados no eran tan significativas como se esperaba. Esto sugiere que otros tipos de ruido, especialmente de fluctuaciones de carga, jugaron un papel más importante que el ruido de spin nuclear.

#Metodología experimental

Los investigadores diseñaron un dispositivo de doble punto cuántico sobre un material natural de Si/SiGe para realizar sus experimentos. Implementaron varias técnicas para calibrar cuidadosamente los parámetros de los qubits, que son vitales para operaciones precisas. El rendimiento del dispositivo se evaluó utilizando métodos como la verificación aleatoria, una técnica que comprueba qué tan bien funcionan los qubits bajo diversas condiciones.

#Rendimiento de compuertas de un solo qubit

Para lograr operaciones de un solo qubit, los investigadores utilizaron una técnica llamada resonancia de spin de dipolo eléctrico. El objetivo era ajustar la fase de las señales de microondas para controlar con precisión los spins de los qubits. Las mediciones mostraron que las compuertas de un solo qubit tenían una fidelidad muy alta, superando los estándares requeridos para la computación cuántica práctica.

#Rendimiento de compuertas de dos qubits

Para las operaciones de dos qubits, los investigadores utilizaron una compuerta de Fase Controlada (CPhase), que implica gestionar cuidadosamente las interacciones entre qubits. Esto se hizo aplicando pulsos de voltaje dirigidos para cambiar el comportamiento de los qubits. Al hacerlo, pudieron crear la compuerta CZ, lo que llevó a operaciones exitosas de dos qubits.

#Desafíos y direcciones futuras

Aunque los resultados fueron prometedores, los investigadores enfrentaron desafíos, particularmente con el ruido que afecta las operaciones de qubit. Observaron que la inestabilidad de las fases de los qubits limitaba la fidelidad de las operaciones. Para abordar esto, implementaron técnicas como el desacoplamiento dinámico para mejorar los tiempos de coherencia de los qubits.

#Conclusión

En general, los hallazgos demuestran que es factible realizar operaciones de alta fidelidad usando qubits de silicio natural. A pesar de los desafíos que plantea el ruido, la investigación indica que con más mejoras, particularmente en lo que respecta al ruido de carga y nuclear, podría ser posible lograr un rendimiento aún mejor en la computación cuántica basada en silicio. Los resultados allanan el camino para avances en la construcción de computadores cuánticos más confiables y escalables usando materiales ya familiares en la industria de semiconductores.