Una nueva fuente de microondas superenfriada permite aumentar la escala de las computadoras cuánticas

En un nuevo trabajo publicado en Nature Electronics, investigadores finlandeses han desarrollado un circuito que produce las señales de microondas de alta calidad necesarias para controlar las computadoras cuánticas que funcionan a temperaturas cercanas al cero absoluto. Se trata de un paso clave para acercar el sistema de control a la computadora cuántica, lo que podría permitir aumentar en gran medida el número de cúbits en el procesador.

Las computadoras cuánticas se ven limitadas por el mecanismo utilizado para controlar los cúbits en los procesadores cuánticos. Por lo general, esto se consigue mediante una serie de pulsos de microondas y, dado que los procesadores cuánticos funcionan a temperaturas cercanas al cero absoluto, los pulsos de control suelen introducirse en el entorno refrigerado mediante cables de banda ancha desde la temperatura ambiente.

A medida que aumenta el número de cúbits, también lo hace el número de cables necesarios. Esto limita el tamaño potencial de un procesador cuántico, ya que los refrigeradores que enfrían los cúbits tendrían que ser más grandes para dar cabida a más y más cables, además de trabajar con más intensidad para enfriarlos, lo que en última instancia es una propuesta perdedora.

Un consorcio de investigación en el que participan la Universidad de Aalto, el Centro de Investigación Técnica de Finlandia (VTT) y la empresa IQM Quantum Computers ha desarrollado un componente clave para resolver este problema. «Hemos construido una fuente precisa de microondas que funciona a la misma temperatura extremadamente baja que los procesadores cuánticos, aproximadamente -273 grados», afirma el jefe del equipo, Mikko Möttönen, profesor de la Universidad de Aalto y del Centro de Investigación Técnica VTT de Finlandia y cofundador y científico jefe de IQM.

La nueva fuente de microondas es un dispositivo integrado en el chip que se puede combinar con un procesador cuántico. Con un tamaño que no llega al milímetro, puede eliminar la necesidad de cables de control de alta frecuencia que conecten diferentes temperaturas. Con esta fuente de microondas de baja potencia y baja temperatura, se podrían utilizar criostatos más pequeños sin dejar de aumentar el número de cúbits de un procesador.

«Nuestro dispositivo produce cien veces más energía que las versiones anteriores, lo que es suficiente para controlar los cúbits y realizar operaciones de lógica cuántica», afirma Möttönen. «Produce una onda sinusoidal muy precisa, que oscila más de mil millones de veces por segundo. Como resultado, los errores en los cúbits de la fuente de microondas son muy poco frecuentes, lo que es fundamental a la hora de implementar operaciones lógicas cuánticas precisas».

Sin embargo, una fuente de microondas de onda continua, como la que produce este dispositivo, no puede utilizarse en sí misma para controlar cúbits. Primero hay que transformar las microondas en pulsos. El equipo está desarrollando métodos para encender y apagar de forma rápida la fuente de microondas.

Incluso sin una solución de conmutación que permita crear pulsos, una fuente de microondas eficiente, de bajo ruido y baja temperatura podría ser útil en una serie de tecnologías cuánticas, como los sensores cuánticos.

«Además de las computadoras y sensores cuánticos, la fuente de microondas puede hacer las veces de reloj para otros dispositivos electrónicos. Puede mantener diferentes dispositivos en el mismo ritmo, permitiéndoles inducir operaciones para varios cúbits diferentes en el instante de tiempo deseado», explica Möttönen.

El análisis teórico y el diseño inicial fueron realizados por Juha Hassel y sus colaboradores en VTT. Hassel, que comenzó este trabajo en VTT, es actualmente el jefe de Ingeniería y Desarrollo de IQM Quantum Computers, líder paneuropeo en computadoras cuánticas. A continuación, el dispositivo se construyó en VTT y fue operado por el investigador posdoctoral Chengyu Yan y sus colegas de la Universidad de Aalto utilizando la infraestructura de investigación OtaNano. Yan es actualmente profesor asociado en la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong (China). Los equipos que participan en esta investigación forman parte del Centro de Excelencia en Tecnología Cuántica de la Academia de Finlandia (QTF) y del Instituto Cuántico Finlandés (InstituteQ).