Los investigadores de QuTech, una colaboración entre la Universidad Tecnológica de Delft y TNO, han diseñado un número récord de seis qubits giratorios basados ​​en silicio en una matriz totalmente interoperable. Es importante destacar que los qubits se pueden operar con una tasa de error baja que se logra con un nuevo diseño de chip, un procedimiento de calibración automatizado y nuevos métodos para la inicialización y lectura de qubits. Estos avances contribuirán a una computadora cuántica escalable basada en silicio. Los resultados se publican hoy en Nature.

Se pueden usar diferentes materiales para producir qubits, el análogo cuántico al bit de la computadora clásica, pero nadie sabe qué material resultará mejor para construir una computadora cuántica a gran escala. Hasta la fecha, solo ha habido demostraciones más pequeñas de chips cuánticos de silicio con operaciones qubit de alta calidad. Ahora, los investigadores de QuTech, dirigidos por el profesor Lieven Vandersypen, han producido un chip de seis qubits en silicio que funciona con tasas de error bajas. Este es un paso importante hacia una computadora cuántica tolerante a fallas que use silicio.

Para hacer los qubits, los electrones individuales se colocan en una matriz lineal de seis ‘puntos cuánticos’ separados por 90 nanómetros. La matriz de puntos cuánticos está hecha en un chip de silicio con estructuras que se asemejan mucho al transistor, un componente común en todos los chips de computadora. Se utiliza una propiedad mecánica cuántica llamada espín para definir un qubit con su orientación que define el estado lógico 0 o 1. El equipo utilizó radiación de microondas, campos magnéticos y potenciales eléctricos ajustados con precisión para controlar y medir el giro de los electrones individuales y hacer que interactúen entre sí.

«El desafío de la computación cuántica actual consta de dos partes», explicó el primer autor, el Sr. Stephan Philips. «Desarrollar qubits que tengan la calidad suficiente y desarrollar una arquitectura que permita construir grandes sistemas de qubits. Nuestro trabajo encaja en ambas categorías. Y dado que el objetivo general de construir una computadora cuántica es un esfuerzo enorme, creo que es es justo decir que hemos hecho una contribución en la dirección correcta».

El espín del electrón es una propiedad delicada. Pequeños cambios en el entorno electromagnético hacen que la dirección de giro fluctúe, y esto aumenta la tasa de error. El equipo de QuTech se basó en su experiencia previa en la ingeniería de puntos cuánticos con nuevos métodos para preparar, controlar y leer los estados de espín de los electrones. Usando esta nueva disposición de qubits, podrían crear puertas lógicas y entrelazar sistemas de dos o tres electrones, a pedido.

Se han producido matrices cuánticas con más de 50 qubits utilizando qubits superconductores. Sin embargo, es la disponibilidad global de la infraestructura de ingeniería de silicio lo que brinda a los dispositivos cuánticos de silicio la promesa de una migración más fácil de la investigación a la industria. El silicio presenta ciertos desafíos de ingeniería y, hasta este trabajo del equipo de QuTech, solo se podían diseñar matrices de hasta tres qubits en silicio sin sacrificar la calidad.

«Este documento muestra que con una ingeniería cuidadosa, es posible aumentar el recuento de qubits de espín de silicio manteniendo la misma precisión que para los qubits individuales. El bloque de construcción clave desarrollado en esta investigación podría usarse para agregar aún más qubits en las próximas iteraciones de estudio», dijo el coautor, el Dr. Mateusz Madzik.

«En esta investigación, ampliamos el número de qubits en el silicio y logramos altas fidelidades de inicialización, altas fidelidades de lectura, altas fidelidades de puerta de un solo qubit y altas fidelidades de estado de dos qubits», dijo el profesor Vandersypen. «Sin embargo, lo que realmente destaca es que demostramos todas estas características juntas en un solo experimento en un número récord de qubits».