Las computadoras cuánticas prometen transformar la ciencia y la sociedad, pero solo después de que alcancen la escala que antes parecía lejana y esquiva, y su confiabilidad esté asegurada por la corrección de errores cuánticos. Anunciaron rápidos avances en el camino hacia la computación cuántica útil:
- Majorana 1: la primera unidad de procesamiento cuántico (QPU) del mundo impulsada por un núcleo topológico, diseñada para escalar a un millón de qubits en un solo chip.
- Un qubit topológico protegido por hardware: una investigación publicada hoy en Nature, junto con datos compartidos en la reunión de Station Q, demuestra la capacidad para aprovechar un nuevo tipo de material y diseñar un tipo de qubit radicalmente diferente que es pequeño, rápido y controlado digitalmente.
- Una hoja de ruta de dispositivos hacia una computación cuántica confiable: el camino desde dispositivos de un solo qubit hasta matrices que permiten la corrección de errores cuánticos.
- Microsoft está en camino de construir un FTP de una computadora cuántica escalable (en años, no décadas) como parte de la fase final del programa Sistemas Subexplorados para Computación Cuántica a Escala de Utilidad (US2QC) de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA).
En conjunto, estos hitos marcan un momento crucial en la computación cuántica a medida que avanzaron desde la exploración científica a la innovación tecnológica.
Aprovechamiento de un nuevo tipo de material
Todos los anuncios de hoy se basan en el reciente avance del equipo: el primer topoconductor del mundo.
Esta revolucionaria clase de materiales nos permite crear superconductividad topológica, un nuevo estado de la materia que antes sólo existía en teoría.
El avance se deriva de las innovaciones de Microsoft en el diseño y la fabricación de dispositivos definidos por compuerta que combinan arseniuro de indio (un semiconductor) y aluminio (un superconductor).
Cuando se enfrían hasta casi el cero absoluto y se ajustan con campos magnéticos, estos dispositivos forman nanocables superconductores topológicos con modos cero de Majorana (MZM) en los extremos de los cables.
Durante casi un siglo, estas cuasipartículas solo existían en los libros de texto. Ahora, podemos crearlas y controlarlas a demanda en los topoconductores.
Los MZM son los componentes básicos de los qubits, que almacenan información cuántica a través de la «paridad», ya sea que el cable contenga un número par o impar de electrones.
En los superconductores convencionales, los electrones se unen en pares de Cooper y se mueven sin resistencia.
Cualquier electrón desapareado puede detectarse porque su presencia requiere energía adicional.
Los topoconductores son diferentes: aquí, un electrón desapareado se comparte entre un par de MZM, lo que lo hace invisible para el entorno. Esta propiedad única protege la información cuántica.
Si bien esto convierte a lso topoconductores en candidatos ideales para los qubits, también presenta un desafío: ¿Cómo leemos información cuántica que está tan bien oculta? ¿Cómo podemos distinguir entre, digamos, 1.000.000.000 y 1.000.000.001 electrones?
La solución a este desafío de medición funciona de la siguiente manera:
- Utilizaron interruptores digitales para acoplar ambos extremos del nanocable a un punto cuántico, que es un pequeño dispositivo semiconductor que puede almacenar carga eléctrica.
- Esta conexión aumenta la capacidad del punto para retener la carga. Fundamentalmente, el aumento exacto depende de la paridad del nanocable.
- Medimos este cambio mediante microondas. La capacidad del punto para mantener la carga determina cómo se reflejan las microondas en el punto cuántico. Como resultado, regresan con una huella del estado cuántico del nanocable.
Diseñan los dispositivos para que estos cambios sean lo suficientemente grandes como para medirlos de manera confiable en una sola toma.
Las mediciones iniciales tenían una probabilidad de error del 1% y han identificado caminos claros para reducirla significativamente.
El sistema muestra una estabilidad impresionante. La energía externa (como la radiación electromagnética) puede romper los pares de Cooper, creando electrones desapareados que pueden cambiar el estado del cúbit de paridad par a impar.
Sin embargo, los resultados muestran que esto es poco frecuente y que solo ocurre una vez por milisegundo en promedio.
Esto indica que el blindaje que envuelve su procesador es eficaz para mantener alejada dicha radiación. Están explorando formas de reducir esto aún más.
Tal vez no sea sorprendente que la computación cuántica requiera que diseñemos un nuevo estado de la materia específicamente diseñado para que sea posible.
Lo sorprendente es la precisión con la que ya cuentan con su técnica de lectura, lo que demuestra que están aprovechando este exótico estado de la materia para la computación cuántica.
Revolucionando el control cuántico a través de la precisión digital
Esta técnica de lectura permite un enfoque fundamentalmente diferente a la computación cuántica en el que se utilizan mediciones para realizar cálculos.
La computación cuántica tradicional hace rotar los estados cuánticos a través de ángulos precisos, lo que requiere señales de control analógicas complejas personalizadas para cada cúbit.
Esto complica la corrección de errores cuánticos (QEC), que debe depender de estas mismas operaciones sensibles para detectar y corregir errores.
El enfoque basado en mediciones simplifica drásticamente la QEC. Realizaron la corrección de errores completamente a través de mediciones activadas por pulsos digitales simples que conectan y desconectan puntos cuánticos de nanocables.
Este control digital hace que sea práctico administrar la gran cantidad de cúbits necesarios para aplicaciones del mundo real.
Con los componentes básicos ahora demostrados (información cuántica codificada en MZM, protegida por topología y procesada mediante mediciones), están listos para pasar del avance de la física a la implementación práctica.
El siguiente paso es una arquitectura escalable construida alrededor de un dispositivo de un solo cúbit llamado tetrón.
En la reunión de Station Q, compartimos datos que demuestran el funcionamiento básico de este cúbit. Una operación fundamental (medir la paridad de uno de los nanocables topológicos en un tetrón) utiliza la misma técnica descrita en su artículo de Nature.
Otra operación clave coloca el cúbit en una superposición de estados de paridad.
Esto también se realiza mediante una medición de reflectometría de microondas de un punto cuántico, pero en una configuración de medición diferente en la que desacoplaron el primer punto cuántico del nanohilo y conectaron un punto diferente a ambos nanohilos en un extremo del dispositivo.
Al realizar estas dos mediciones de Pauli ortogonales, Z y X, han demostrado un control basado en mediciones, un hito crucial que desbloquea los próximos pasos en su hoja de ruta.
Su hoja de ruta ahora se dirige sistemáticamente hacia un QEC escalable. Los próximos pasos implicarán una matriz de tetrones de 4×2.
Primero, utilizaremos un subconjunto de dos cúbits para demostrar el entrelazamiento y las transformaciones de trenzado basadas en mediciones. Utilizando toda la matriz de ocho cúbits, luego implementaremos la detección de errores cuánticos en dos cúbits lógicos.
La protección contra errores incorporada de los qubits topológicos simplifica el QEC. Además, los códigos QEC personalizados reducen la sobrecarga aproximadamente diez veces en comparación con el enfoque de vanguardia anterior.
Esta reducción drástica significa que susistema escalable se puede construir a partir de menos qubits físicos y tiene el potencial de funcionar a una velocidad de reloj más rápida.
El reconocimiento de DARPA a su enfoque
La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA, por sus siglas en inglés) ha seleccionado a Microsoft como una de las dos empresas que avanzarán a la fase final de su riguroso programa de evaluación comparativa conocido como Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing (US2QC) , uno de los programas que componen la Iniciativa de Evaluación Comparativa Cuántica (QBI) de DARPA.
Microsoft considera este reconocimiento como una validación de su hoja de ruta para construir una computadora cuántica tolerante a fallas con qubits topológicos.
El programa US2QC de la DARPA y su Iniciativa de evaluación comparativa cuántica más amplia representan un enfoque riguroso para evaluar sistemas cuánticos que podrían resolver problemas que están más allá de las capacidades de las computadoras clásicas.
Hasta la fecha, el programa US2QC ha reunido a expertos de la DARPA, el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea, el Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins, el Laboratorio Nacional de Los Álamos, el Laboratorio Nacional de Oak Ridge y el Centro de Investigación Ames de la NASA para verificar hardware, software y aplicaciones cuánticas.
En el futuro, se espera que la Iniciativa de evaluación comparativa cuántica más amplia involucre a aún más expertos en la prueba y evaluación de computadoras cuánticas.
Anteriormente, DARPA seleccionó a Microsoft para una fase anterior tras evaluar que era plausible construir una computadora cuántica a escala de servicios públicos en un plazo de tiempo razonable.
Luego, DARPA evaluó los diseños arquitectónicos y el plan de ingeniería del equipo cuántico de Microsoft para una computadora cuántica tolerante a fallas.
Como resultado de este análisis cuidadoso, DARPA y Microsoft han firmado un acuerdo para comenzar la fase final del programa.
Durante esta fase, Microsoft pretende construir un prototipo tolerante a fallas basado en cúbits topológicos en años, no décadas , un paso crucial para acelerar el camino hacia la computación cuántica a escala de servicios públicos.
Desbloqueando la promesa de la cuántica
Hace dieciocho meses, trazaron su hoja de ruta hacia una supercomputadora cuántica. Hoy alcanzaron su segundo hito: demostraron el primer cúbit topológico del mundo. Y ya han colocado ocho cúbits topológicos en un chip diseñado para albergar un millón.
Un ordenador cuántico de un millón de cúbits no es sólo un hito, es una puerta de entrada a la solución de algunos de los problemas más difíciles del mundo.
Incluso los superordenadores más potentes de la actualidad no pueden predecir con precisión los procesos cuánticos que determinan las propiedades de los materiales esenciales para su futuro.
Pero la computación cuántica a esta escala podría conducir a innovaciones como materiales autorreparadores que reparen grietas en los puentes, agricultura sostenible y descubrimientos químicos más seguros.
Lo que hoy requiere miles de millones de dólares en exhaustivas búsquedas experimentales y experimentos de laboratorio, podría encontrarse, en cambio, mediante cálculos en un ordenador cuántico.
El camino hacia la computación cuántica útil es claro. La tecnología básica está probada y creen que su arquitectura es escalable.
Su nuevo acuerdo con DARPA muestra un compromiso con el progreso incesante hacia su objetivo: construir una máquina que pueda impulsar el descubrimiento científico y resolver problemas importantes. Manténgase atento para recibir más actualizaciones sobre su viaje.
