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Uno de los muchos desafíos que enfrenta el futuro de la computación cuántica es la escalabilidad. Si bien los investigadores predicen que las computadoras cuánticas necesitarán operar en cientos de miles de qubits, las computadoras cuánticas actuales todavía funcionan en qubits de dos dígitos.

Estado actual y tendencias en el número de qubits conseguidos. Imagen utilizada por cortesía de Edoardo Charbon

Investigadores de la Universidad de Sydney, en colaboración con Microsoft, han desarrollado una técnica que creen que permitirá el escalado necesario de las computadoras cuánticas.

Desafíos para la escalabilidad cuántica

La escalabilidad cuántica se ve obstaculizada en gran medida por las dos restricciones en conflicto.
La primera restricción es que para manipular qubits con señales de control, las arquitecturas contemporáneas requieren que cada qubit sea controlado individualmente por circuitos externos. Estas señales de control son producidas por electrónica clásica, no cuántica.
La segunda restricción es el hecho de que las computadoras cuánticas deben mantenerse a temperaturas criogénicas (cercanas al cero absoluto) para que se comporten de manera determinista en el mundo de la mecánica cuántica.

Diagrama de bloques típico de una computadora cuántica con temperaturas. Tenga en cuenta que 4K es la temperatura ambiente. Imagen utilizada por cortesía de Edoardo Charbon

Aquí es donde ocurre la incompatibilidad fundamental: la electrónica clásica debe usarse para controlar individualmente los qubits, pero los qubits deben operar cerca del cero absoluto. La electrónica clásica en entornos criogénicos está todavía en su infancia. En cambio, los diseñadores de computadoras cuánticas operan la electrónica clásica a temperatura ambiente y usan cables largos y torpes para interconectar los dos.
Este es un factor importante que limita la escalabilidad de la computadora cuántica. De hecho, un experimento de investigación reciente requirió alrededor de 200 cables coaxiales de banda ancha, 45 circuladores de microondas y racks de componentes electrónicos a temperatura ambiente para controlar solo 53 qubits. ¿Cómo pueden los investigadores dar el siguiente paso para controlar miles de qubits?

Un IC CMOS criogénico controla miles de Qubits

Durante más de cuatro años, los investigadores de la Universidad de Sydney han estado trabajando con Microsoft en una solución a este problema y han anunciado desarrollos prometedores esta semana.
Su solución es eliminar la diferencia de distancia y temperatura entre la electrónica cuántica clásica. Lo han hecho mediante el desarrollo de un CI de control de qubit basado en CMOS diseñado para funcionar a temperaturas criogénicas, hasta 100 mK.
El solo IC es capaz de controlar miles de qubits mientras solo requiere dos cables como entrada, eliminando la infraestructura masiva que necesitan las computadoras cuánticas convencionales.

El CI criogénico en un refrigerador de dilución. Imagen utilizada por cortesía de la Universidad de Sydney

Además de aumentar la escalabilidad, esta solución, que acerca la electrónica clásica a la electrónica cuántica, tiene el beneficio adicional de reducir el consumo de energía y aumentar las velocidades.

El chip Cryo-CMOS combina analógico y digital

Como se explica en el artículo publicado por los investigadores en Nature, el chip crio-CMOS consta de bloques digitales y analógicos que funcionan al unísono. Los bloques de circuitos digitales se utilizan para la comunicación, la memoria (en forma de un registro de 128 bits) y el funcionamiento autónomo del chip a través de una máquina de estados finitos que consta de aproximadamente 100.000 transistores. Esta sección también contiene un oscilador de anillo configurable.

El plano de planta del IC. Imagen utilizada cortesía de Pauka et al.

En el lado analógico están las celdas de puerta rápida con bloqueo de carga (CLFG), que funcionan utilizando tecnología de capacitores conmutados para generar voltajes dinámicos y estáticos necesarios para controlar los qubits. Los bloques CLFG aprovechan la baja fuga de los dispositivos a temperaturas criogénicas, utilizando técnicas basadas en tapas conmutadas para generar y mover cargas según sea necesario.
Trabajando con Microsoft, los investigadores de Sydney anticipan que el chip no permanecerá solo en la academia, sino que estará completamente fabricado. El IC se construyó con tecnología de silicio sobre aislante totalmente agotada de 28 nm.

Más cerca de un futuro cuántico

Hablando sobre el futuro del proyecto, el investigador principal David Reilly dice: "Recién estamos comenzando con esta nueva ola de innovación cuántica". Continúa: "Lo mejor de la asociación es que no solo publicamos un artículo y seguimos adelante. Ahora podemos continuar con el plan para lograr la tecnología cuántica a escala industrial".