La practicidad de la computación cuántica depende de la integridad del bit cuántico o qubit.
Los qubits, los elementos lógicos de las computadoras cuánticas, son sistemas coherentes de dos niveles que representan información cuántica. Cada qubit tiene la extraña capacidad de estar en una superposición cuántica, llevando aspectos de ambos estados simultáneamente, lo que permite una versión cuántica del cálculo paralelo. Las computadoras cuánticas, si se pueden escalar para acomodar muchos qubits en un procesador, podrían ser increíblemente más rápidas y capaces de manejar problemas mucho más complejos que las computadoras convencionales de hoy.
Pero todo depende de la integridad de un qubit, o de cuánto tiempo puede funcionar antes de que se pierda su superposición y la información cuántica, un proceso llamado decoherencia, que en última instancia limita el tiempo de ejecución de la computadora. Los qubits superconductores, una modalidad de qubit líder en la actualidad, han logrado una mejora exponencial en esta métrica clave, de menos de un nanosegundo en 1999 a alrededor de 200 microsegundos en la actualidad para los dispositivos de mejor rendimiento.
Pero los investigadores del MIT, el Laboratorio Lincoln del MIT y el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) han descubierto que el rendimiento de un qubit pronto chocará contra una pared. En un artículo publicado en Nature, el equipo informa que la radiación de fondo de bajo nivel, por lo demás inofensiva, que emiten los oligoelementos en las paredes de hormigón y los rayos cósmicos entrantes son suficientes para causar decoherencia en qubits. Descubrieron que este efecto, si no se mitiga, limitará el rendimiento de los qubits a solo unos pocos milisegundos.
Dada la velocidad a la que los científicos han estado mejorando los qubits, es posible que golpeen esta pared inducida por la radiación en solo unos pocos años. Para superar esta barrera, los científicos tendrán que encontrar formas de proteger los qubits, y cualquier computadora cuántica práctica, de la radiación de bajo nivel, tal vez construyendo las computadoras bajo tierra o diseñando qubits que sean tolerantes a los efectos de la radiación.
"Estos mecanismos de decoherencia son como una cebolla, y hemos estado pelando las capas durante los últimos 20 años, pero hay otra capa que no ha disminuido y que nos va a limitar en un par de años, que es la radiación ambiental", dice William Oliver. profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática y miembro del Laboratorio Lincoln del MIT. "Este es un resultado emocionante, porque nos motiva a pensar en otras formas de diseñar qubits para solucionar este problema".
El autor principal del artículo es Antti Vepsäläinen, un postdoctorado en el Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT.

"Es fascinante lo sensibles que son los qubits superconductores a la radiación débil. Comprender estos efectos en nuestros dispositivos también puede ser útil en otras aplicaciones, como los sensores superconductores utilizados en astronomía", dice Vepsäläinen.
Los coautores del MIT incluyen a Amir Karamlou, Akshunna Dogra, Francisca Vasconcelos, Simon Gustavsson y el profesor de física Joseph Formaggio, junto con David Kim, Alexander Melville, Bethany Niedzielski y Jonilyn Yoder en el Laboratorio Lincoln, y John Orrell, Ben Loer y Brent VanDevender de PNNL.
Un efecto cósmico
Los qubits superconductores son circuitos eléctricos hechos de materiales superconductores. Comprenden multitud de electrones emparejados, conocidos como pares de Cooper, que fluyen a través del circuito sin resistencia y trabajan juntos para mantener el tenue estado de superposición del qubit. Si el circuito se calienta o se interrumpe, los pares de electrones se pueden dividir en "cuasipartículas", lo que provoca una decoherencia en el qubit que limita su funcionamiento.
Existen muchas fuentes de decoherencia que podrían desestabilizar un qubit, como campos magnéticos y eléctricos fluctuantes, energía térmica e incluso interferencias entre qubits.

Los científicos han sospechado durante mucho tiempo que niveles muy bajos de radiación pueden tener un efecto desestabilizador similar en los qubits.
"En los últimos cinco años, la calidad de los qubits superconductores ha mejorado mucho, y ahora estamos dentro de un factor de 10 de donde los efectos de la radiación van a importar", agrega Kim, miembro del personal técnico del MIT Lincoln Laboratotry. .
Entonces, Oliver y Formaggio se unieron para ver cómo podrían determinar el efecto de la radiación ambiental de bajo nivel en los qubits. Como físico de neutrinos, Formaggio tiene experiencia en el diseño de experimentos que protegen contra las fuentes de radiación más pequeñas, para poder ver neutrinos y otras partículas difíciles de detectar.
"La calibración es clave"
El equipo, que trabaja con colaboradores en el Laboratorio Lincoln y PNNL, primero tuvo que diseñar un experimento para calibrar el impacto de los niveles conocidos de radiación en el rendimiento de los qubit superconductores. Para hacer esto, necesitaban una fuente radioactiva conocida, una que se volviera menos radioactiva lo suficientemente lento como para evaluar el impacto a niveles de radiación esencialmente constantes, pero lo suficientemente rápido como para evaluar un rango de niveles de radiación en unas pocas semanas, hasta el nivel de fondo. radiación.
El grupo optó por irradiar una lámina de cobre de alta pureza. Cuando se expone a un alto flujo de neutrones, el cobre produce copiosas cantidades de cobre-64, un isótopo inestable con exactamente las propiedades deseadas.
"El cobre simplemente absorbe neutrones como una esponja", dice Formaggio, quien trabajó con operadores en el Laboratorio de Reactores Nucleares del MIT para irradiar dos pequeños discos de cobre durante varios minutos. Luego colocaron uno de los discos junto a los qubits superconductores en un refrigerador de dilución en el laboratorio de Oliver en el campus. A temperaturas 200 veces más frías que las del espacio exterior, midieron el impacto de la radiactividad del cobre en la coherencia de los qubits mientras que la radiactividad disminuía, hasta los niveles ambientales de fondo.
La radiactividad del segundo disco se midió a temperatura ambiente como un indicador de los niveles que alcanzaban el qubit. A través de estas mediciones y simulaciones relacionadas, el equipo comprendió la relación entre los niveles de radiación y el rendimiento de los qubits, una que podría usarse para inferir el efecto de la radiación ambiental natural. Según estas mediciones, el tiempo de coherencia de los qubits se limitaría a unos 4 milisegundos.
"No se acabó el juego"
Luego, el equipo eliminó la fuente radiactiva y procedió a demostrar que proteger los qubits de la radiación ambiental mejora el tiempo de coherencia. Para hacer esto, los investigadores construyeron una pared de 2 toneladas de ladrillos de plomo que podían levantarse y bajarse en un elevador de tijera, para proteger o exponer el refrigerador a la radiación circundante.
"Construimos un pequeño castillo alrededor de esta nevera", dice Oliver.
Cada 10 minutos, y durante varias semanas, los estudiantes en el laboratorio de Oliver alternaban presionando un botón para levantar o bajar la pared, mientras un detector medía la integridad de los qubits, o "tasa de relajación", una medida de cómo la radiación ambiental impacta en el qubit. , con y sin escudo. Al comparar los dos resultados, extrajeron efectivamente el impacto atribuido a la radiación ambiental, confirmando la predicción de 4 milisegundos y demostrando que el blindaje mejoró el rendimiento del qubit.
"Es difícil deshacerse de la radiación de rayos cósmicos", dice Formaggio. "Es muy penetrante y atraviesa todo como una corriente en chorro. Si vas bajo tierra, eso se hace cada vez menos. Probablemente no sea necesario construir computadoras cuánticas a gran profundidad, como los experimentos de neutrinos, pero tal vez las instalaciones del sótano profundo probablemente podrían obtener qubits operando a niveles mejorados ".
Pasar a la clandestinidad no es la única opción, y Oliver tiene ideas sobre cómo diseñar dispositivos de computación cuántica que aún funcionen frente a la radiación de fondo.
"Si queremos construir una industria, probablemente preferiremos mitigar los efectos de la radiación sobre el suelo", dice Oliver. "Podemos pensar en diseñar qubits de una manera que los haga 'rad-duros' y menos sensibles a las cuasipartículas, o diseñar trampas para cuasipartículas para que, incluso si se generan constantemente por radiación, puedan fluir lejos del qubit . Así que definitivamente no ha terminado el juego, es solo la siguiente capa de la cebolla que debemos abordar ".
Esta investigación fue financiada, en parte, por la Oficina de Física Nuclear del Departamento de Energía de EE. UU., La Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU., El Departamento de Defensa de EE. UU. Y la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU.

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