Un equipo internacional de científicos de Rusia, el Reino Unido y Alemania ha demostrado un diseño alternativo de qubit que puede usarse para construir una computadora cuántica. El elemento principal de este diseño son los nanocables superconductores. Ya en los primeros experimentos, un nuevo qubit superconductor demostró no ser peor que los qubits tradicionales construidos en las uniones Josephson.
Esquema y dibujo de un nuevo qubit. Las colaboraciones de científicos del Centro Cuántico Ruso y NUST MISiS (Rusia), la Universidad de Londres y el Laboratorio Nacional de Física en Teddington (Gran Bretaña), la Universidad de Karlsruhe y el Instituto de Tecnologías de Fotones (Alemania), así como el Instituto de Física y Tecnología de Moscú y Skoltech (Rusia) lograron crear un qubit fundamentalmente nuevo basado no en la unión de Josephson, que es una discontinuidad en un superconductor, sino en un nanocable superconductor continuo. Investigadores
publicados en Nature Physics.
Los científicos predicen grandes logros para una computadora cuántica. El principio de los cálculos establecidos en su fundamento, incluso ahora, permite resolver problemas extremadamente complejos. Aunque todavía no se ha creado una computadora cuántica universal, los investigadores ya pueden simular compuestos químicos y materiales con qubits. Por lo tanto, muchos grupos científicos están trabajando para mejorar los elementos de una computadora cuántica. Se está trabajando especialmente para estudiar y mejorar la célula informática principal de un qubit de computadora cuántica.
Hay varios enfoques para crear qubits. Por ejemplo, se han creado qubits que operan en el rango óptico. Sin embargo, son difíciles de escalar, a diferencia de los qubits en superconductores que operan en el rango de radio y se basan en las llamadas uniones Josephson. Cada transición de este tipo es una ruptura de un superconductor, o más bien, una capa dieléctrica a través de la cual los electrones hacen un túnel.
El nuevo qubit se basa en el efecto del deslizamiento de fase cuántica: destrucción periódica controlada y restauración de la superconductividad en un nanohilo ultrafino (de aproximadamente 4 nm de espesor), que en el estado ordinario tiene una resistencia bastante alta. Por primera vez, este efecto, predicho en teoría, fue observado experimentalmente por el jefe de este trabajo, Oleg Astafyev, ahora es el jefe del Laboratorio de Sistemas Cuánticos Artificiales en el Instituto de Física y Tecnología de Moscú y es profesor en la Universidad de Londres y el Laboratorio Nacional de Física en Teddington en el Reino Unido. Su trabajo pionero fue publicado en la revista Nature en 2012.
Profesor Alexey UstinovSegún uno de los autores del nuevo trabajo, Alexey Ustinov, que dirige un grupo RCC en Rusia y dirige el Laboratorio de Metamateriales Superconductores de NITU MISiS, y es profesor en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe en Alemania, ahora ha logrado crear un nuevo tipo de dispositivos superconductores, muy similar a SQUID (SQUID, Dispositivo de interferencia cuántica superconductora: "interferómetro cuántico superconductor", un magnetómetro súper sensible basado en uniones Josephson). Solo en lugar de un campo magnético, la interferencia en un nuevo dispositivo es causada por un campo eléctrico que cambia la carga eléctrica en una isla entre dos nanocables. Estos cables desempeñan el papel de uniones Josephson en el dispositivo, mientras que no requieren la creación de discontinuidades y pueden estar hechos de una capa de un superconductor. Como señaló Alexey Ustinov, en este trabajo pudimos demostrar que este sistema puede funcionar como un interferómetro de carga. "Si divide el cable en dos secciones, haga un engrosamiento en el centro y luego cambie la carga del engrosamiento por el obturador, de hecho, puede modular periódicamente el proceso de túnel cuántico de cuantos magnéticos a través del cable, lo que se observa en este trabajo". Este es un punto clave que demuestra que el efecto es controlable y coherente, y que puede usarse para crear qubits de nueva generación.
Las tecnologías SQUID ya han encontrado su aplicación en varios dispositivos de exploración médica, como los magnetocardiógrafos y magnetoencefalogramas, en dispositivos que capturan resonancia magnética nuclear, así como en métodos geofísicos y paleogeológicos de exploración de rocas. Por lo tanto, es posible que los SQUID de carga dual puedan causar serios cambios no solo en el mundo de las computadoras cuánticas.
Según el profesor Ustinov, los científicos aún enfrentan muchas tareas fundamentales relacionadas con el estudio del trabajo de un nuevo qubit. Sin embargo, ahora está claro que estamos hablando de qubits que no tienen menos (y tal vez más) funcionalidad, pero son mucho más simples de fabricar. “Ahora la intriga principal es si es posible construir sobre este principio todo el conjunto de elementos de la electrónica superconductora. - señaló el profesor Ustinov. - El dispositivo que recibimos, en principio, es un electrómetro y mide la carga inducida en la isla de un superconductor con un error miles de veces menor que la carga de un electrón. Podemos controlarlo con la mayor precisión, ya que esta carga no se cuantifica, sino que se induce ".
“Ahora estamos estudiando qubits sobre el principio del deslizamiento de fase en mi grupo en Karlsruhe, y los tiempos de coherencia que tenemos en ellos son sorprendentemente altos. - dice el profesor Ustinov. - Hasta ahora no son mucho más grandes que en qubits comunes, pero acabamos de comenzar a trabajar y existe la posibilidad de que sean grandes. Por ejemplo, todavía hay un tema importante de defectos en los qubits (recientemente recibimos una subvención de Google), estos defectos surgen en el dieléctrico, en la barrera del túnel de la unión de Josephson. Los defectos son excitados debido al hecho de que en esta zona hay grandes campos eléctricos, prácticamente todo el voltaje cae en una escala de 2 nm. Si imaginamos que se produce la misma caída en un cable homogéneo, y no se sabe dónde, en un "desenfoque" uniforme en todo el superconductor, entonces los campos que surgirán aquí son mucho más pequeños. Esto significa que los defectos que están en el material del qubit, muy probablemente, no aparecerán aquí. Y esto significa que podemos obtener qubits con un mayor tiempo de coherencia, lo que ayudará a hacer frente a uno de los principales problemas de los qubits: no demasiado tiempo de su "vida" cuántica.