Científicos diseñan un chip que puede sentar las bases para un ordenador cuántico

Los ordenadores cuánticos son, en teoría, capaces de simular las interacciones de las moléculas a un nivel de detalle mucho más allá de las capacidades de incluso los superordenadores más grandes de hoy en día. Estas simulaciones podrían revolucionar la química, la biología y la ciencia de los materiales, pero el desarrollo de ordenadores cuánticos está limitado por la capacidad de aumentar el número de bits cuánticos o qubits, que codifican, almacenan y acceden a cantidades de datos.

"Para apuntar al estado cuántico de un sistema de sólo 300 qubits, se necesitarían 2 ú 300 números, más o menos el número de protones en el universo conocido, por lo que ninguna cantidad de la escala de la Ley de Moore haría posible que un ordenador clásico procesara muchos números --afirma Nicholas Guise, quien dirigió la investigación--. Por ello, es imposible simular completamente incluso un sistema cuántico de tamaño modesto, mucho menos algo como la química de moléculas complejas, a menos que podamos construir un ordenador cuántico para hacerlo".

Aunque las computadoras actuales utilizan bits clásicos de información, los ordenadores cuánticos utilizan "bits cuánticos o qubits" para almacenar información. Los bits clásicos emplean un 0 o 1, pero un qubit, explotando una extraña propiedad cuántica llamada superposición, puede ser en realidad tanto 0 como 1 de forma simultánea, lo que permite codificar mucha más información.

Como los qubits se pueden correlacionar con los demás de una manera que los bits clásicos no pueden, permitirá una nueva clase de computación paralela masiva, pero sólo si muchos qubits a la vez pueden producirse y controlarse. El desafío que el campo se ha enfrentado está ampliando esta tecnología hasta, al igual que pasar de los primeros transistores para las primeras computadoras.

Un qubit candidato líder son los iones individuales atrapados dentro de una cámara de vacío y manipulados con láseres. La escalabilidad de las arquitecturas actuales de las cámaras es limitada ya que las conexiones para los electrodos necesarios para generar campos de captura están en el borde del chip y su número es por lo tanto limitado por el perímetro del chip. El enfoque GTRI/Honeywell utiliza nuevas técnicas de microfabricación que permiten que quepan más electrodos en el chip, preservando el acceso láser necesario.

El diseño del equipo toma prestadas ideas de un tipo de embalaje que se llama una matriz de rejilla de bolas (BGA, por sus siglas en inglés) que se utiliza para montar circuitos integrados. La característica clave de la matriz de rejilla de bolas es que puede llevar señales eléctricas directamente desde la parte trasera de la montura a la superficie, aumentando así la densidad potencial de las conexiones eléctricas.

Los investigadores también liberaron más espacio del chip mediante la sustitución del área intensiva de la superficie o el borde de los condensadores por condensadores atrincherados y moviendo estratégicamente conexiones de los cables. Los movimientos de ahorro de espacio permitieron un enfoque más ajustado de un rayo láser de direccionamiento para operaciones rápidas en qubits individuales. A pesar de las dificultades iniciales para unir las fichas, se desarrolló una solución en colaboración con Honeywell, y el dispositivo fue atrapando los iones desde el primer día.

El equipo estaba entusiasmado con los resultados. "Los iones son muy sensibles a desviar campos eléctricos y otras fuentes de ruido, y unos pocos micrones del material equivocado en el lugar erróneo pueden arruinar una trampa. Pero cuando hicimos funcionar la trampa BGA a través de una serie de pruebas de evaluación comparativa nos sorprendió gratamente que funcionó al menos igual de bien que todas nuestras trampas anteriores", celebra Guise.

Trabajar con qubits iones atrapados actualmente requiere una habitación llena de equipos voluminosos y varios estudiantes de posgrado para que todo funcione correctamente, por lo que los investigadores dicen que aún queda mucho trabajo por hacer para reducir la tecnología. El proyecto BGA demostró que es posible adaptar más y más electrodos en la superficie de un chip trampa, mientras que el cableado de la parte posterior del chip se pone de una forma compacta y extensible. Sin embargo, hay una serie de desafíos de ingeniería que aún deben abordarse para convertir esto en un sistema miniaturizado, robusto y bien empaquetado que permita la computación cuántica, dicen los investigadores.


Mientras tanto, estos avances tienen aplicaciones más allá de la computación cuántica. "Todos esperamos que algún día los ordenadores cuánticos cumplirán su gran promesa y esta investigación nos lleva un paso más cerca de eso --señala Guise--. Sin embargo, otra razón por la que trabajamos en este tipo de problemas difíciles es que nos obliga a llegar a soluciones que pueden ser útiles en otros lugares. Por ejemplo, las técnicas de microfabricación como las demostradas aquí por trampas de iones son también muy relevantes para la fabricación de dispositivos nucleares en miniatura como sensores, magnetómetros y relojes atómicos a escala de chip".