Se requieren millones de bits cuánticos para que las computadoras cuánticas resulten útiles en aplicaciones prácticas. La escalabilidad es uno de los mayores retos en el desarrollo de futuros dispositivos. Un problema es que los qubits tienen que estar muy cerca uno del otro en el chip para acoplarlos. Los investigadores de Forschungszentrum Jülich y la Universidad RWTH Aachen ahora han dado un paso significativo más cerca de resolver el problema. Lograron transferir electrones, los portadores de información cuántica, a lo largo de varios micrómetros en un chip cuántico. Su «bus cuántico» podría ser el componente clave para dominar el salto a millones de qubits.

Las computadoras cuánticas tienen el potencial de superar ampliamente las capacidades de las computadoras convencionales para ciertas tareas. Pero todavía queda un largo camino por recorrer antes de que puedan ayudar a resolver problemas del mundo real. Muchas aplicaciones requieren procesadores cuánticos con millones de bits cuánticos. Los prototipos de hoy simplemente presentan algunas de estas unidades de cómputo.

«Actualmente, cada qubit individual está conectado a través de varias líneas de señal para controlar unidades del tamaño de un armario. Eso todavía funciona para unos pocos qubits. Pero ya no tiene sentido si quieres poner millones de qubits en el chip. Porque eso es necesario para la corrección de errores cuánticos», dice el Dr. Lars Schreiber del Instituto JARA de Información Cuántica en Forschungszentrum Jülich y la Universidad RWTH Aachen.

En algún momento, el número de líneas de señal se convierte en un cuello de botella. Las líneas ocupan demasiado espacio en comparación con el tamaño de los diminutos qubits. Y un chip cuántico no puede tener millones de entradas y salidas; un chip clásico moderno solo contiene alrededor de 2000 de estos. Junto con colegas de Forschungszentrum Jülich y la Universidad RWTH Aachen, Schreiber ha estado investigando durante varios años para encontrar una solución a este problema.

Su objetivo general es integrar partes de la electrónica de control directamente en el chip. El enfoque se basa en los llamados qubits de espín semiconductores hechos de silicio y germanio. Este tipo de qubit es comparativamente pequeño. Los procesos de fabricación coinciden en gran medida con los de los procesadores de silicio convencionales. Esto se considera ventajoso cuando se trata de realizar muchos qubits. Pero primero hay que superar algunas barreras fundamentales.

«El entrelazamiento natural causado por la proximidad de las partículas se limita a un rango muy pequeño, alrededor de 100 nanómetros. Para acoplar los qubits, actualmente deben colocarse muy cerca uno del otro. Simplemente no hay espacio para más electrónica de control que nos gustaría instalar allí», dice Schreiber.

Para diferenciar los qubits, el Instituto JARA de Información Cuántica (IQI) tuvo la idea de un transbordador cuántico. Este componente especial debería ayudar a intercambiar información cuántica entre los qubits en distancias mayores. Los investigadores han estado trabajando en el «autobús cuántico» durante cinco años y ya han presentado más de 10 patentes. La investigación comenzó como parte del consorcio europeo QuantERA Si-QuBus y ahora continúa en el proyecto nacional QUASAR del Ministerio Federal de Educación e Investigación (BMBF) junto con socios industriales.

«Alrededor de 10 micrómetros deben conectarse de un qubit al siguiente. Según la teoría, se pueden realizar millones de qubits con una arquitectura de este tipo. Recientemente predijimos esto en colaboración con ingenieros de circuitos del Instituto Central de Ingeniería, Electrónica y Análisis en Forschungszentrum Jülich», explica el director del Instituto IQI, el profesor Hendrik Bluhm. Los investigadores de TU Delft e Intel también han llegado a la misma conclusión.

Lars Schreiber y su equipo han logrado ahora un paso importante. Lograron transportar un electrón 5000 veces a una distancia de 560 nanómetros sin errores significativos. Esto corresponde a una distancia de 2,8 milímetros. Los resultados fueron publicados en la revista científica npj Quantum Information.

Electrones «surfeando»

Una mejora esencial : los electrones son impulsados ​​por medio de cuatro señales de control simples que, a diferencia de los enfoques anteriores, no se vuelven más complejas en distancias más largas. Esto es importante porque, de lo contrario, se requeriría una electrónica de control extensa, que ocuparía demasiado espacio, o no podría integrarse en absoluto en el chip.

Este logro se basa en una nueva forma de transportar electrones. «Hasta ahora, las personas han tratado de dirigir los electrones específicamente alrededor de las perturbaciones individuales en su camino. O crearon una serie de los llamados puntos cuánticos y dejaron que los electrones saltaran de uno de estos puntos a otro. Ambos enfoques requieren un ajuste de señal preciso, lo que da como resultado una electrónica de control demasiado compleja», explica Lars Schreiber. «En contraste, generamos una onda potencial en la que los electrones simplemente navegan sobre varias fuentes de interferencia. Unas pocas señales de control son suficientes para una onda tan uniforme; cuatro pulsos sinusoidales es todo lo que se necesita».

Como siguiente paso, los físicos ahora quieren demostrar que la información del qubit codificada en el espín del electrón no se pierde durante el transporte. Los cálculos teóricos ya han demostrado que esto es posible en silicio en ciertos rangos de velocidad. El bus cuántico allana el camino hacia una arquitectura de computadora cuántica escalable que también puede servir como base para varios millones de qubits.