Gran avance en la computación cuántica

CIENCIA. Desde el MIT confirman que los materiales diminutos conducen a un gran avance en la computación cuántica

El uso de materiales ultrafinos para reducir el tamaño de los qubits superconductores puede allanar el camino para dispositivos cuánticos de tamaño personal.

Al igual que los transistores en una computadora clásica, los qubits superconductores son los componentes básicos de una computadora cuántica . Si bien los ingenieros han podido reducir los transistores a escalas nanométricas, los qubits superconductores todavía se miden en milímetros. Esta es una de las razones por las que un dispositivo de computación cuántica práctico no podría miniaturizarse al tamaño de un teléfono inteligente, por ejemplo.

Los investigadores del MIT ahora han utilizado materiales ultrafinos para construir qubits superconductores. Estos tienen al menos una centésima parte del tamaño de los diseños convencionales y sufren menos interferencias entre los qubits vecinos. Este avance podría mejorar el rendimiento de las computadoras cuánticas y permitir el desarrollo de dispositivos cuánticos más pequeños.

Los investigadores han demostrado que el nitruro de boro hexagonal, un material que consta de solo unas pocas monocapas de átomos, se puede apilar para formar el aislante de los condensadores en un qubit superconductor. Este material libre de defectos permite condensadores que son mucho más pequeños que los que se usan normalmente en un qubit, lo que reduce su huella sin sacrificar significativamente el rendimiento.

Además, investigadores muestran que la estructura de estos condensadores más pequeños debería reducir en gran medida la diafonía, que ocurre cuando un qubit afecta involuntariamente a los qubits circundantes.

“En este momento, podemos tener quizás 50 o 100 qubits en un dispositivo; pero para un uso práctico en el futuro, necesitaremos miles o millones de qubits en un dispositivo». Por lo tanto, será muy importante miniaturizar el tamaño de cada qubit individual y, al mismo tiempo, evitar las interferencias no deseadas entre estos cientos de miles de qubits. Este es uno de los pocos materiales que encontramos que se puede usar en este tipo de construcción”; dice el coautor principal Joel Wang, científico investigador del grupo de Ingeniería de Sistemas Cuánticos del Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT.

La coautora principal de Wang es Megan Yamoah ’20, ex alumna del grupo de Ingeniería de Sistemas Cuánticos que actualmente estudia en la Universidad de Oxford con una beca Rhodes. Pablo Jarillo-Herrero, profesor de física Cecil e Ida Green, es autor correspondiente, y el autor principal es William D. Oliver, profesor de ingeniería eléctrica e informática y de física, miembro del Laboratorio Lincoln del MIT, director del Centro de Ingeniería Cuántica y director asociado del Laboratorio de Investigación de Electrónica. La investigación se publica hoy en Nature Materials.

Dilemas de qubit

Los qubits superconductores, un tipo particular de plataforma de computación cuántica que utiliza circuitos superconductores, contienen inductores y condensadores. Al igual que en una radio u otro dispositivo electrónico, estos condensadores almacenan la energía del campo eléctrico. Un condensador a menudo se construye como un sándwich, con placas de metal a cada lado de un material aislante o dieléctrico.

Pero a diferencia de una radio, las computadoras cuánticas superconductoras operan a temperaturas súper frías (menos de 0,02 grados sobre el cero absoluto (-273,15 grados Celsius)); y tienen campos eléctricos de muy alta frecuencia, similares a los teléfonos celulares actuales. La mayoría de los materiales aislantes que funcionan en este régimen presentan defectos. Si bien no es perjudicial para la mayoría de las aplicaciones clásicas, cuando la información cuánticamente coherente pasa a través de la capa dieléctrica, puede perderse o absorberse de forma aleatoria.

“Los dieléctricos más comunes que se utilizan para los circuitos integrados, como los óxidos de silicio o los nitruros de silicio, tienen muchos defectos, lo que da como resultado factores de calidad de alrededor de 500 a 1000. Esto es simplemente demasiado con pérdidas para las aplicaciones de computación cuántica”, dice Oliver.

Para evitar esto, los condensadores qubit convencionales son más como sándwiches abiertos, sin placa superior y un vacío sobre la placa inferior para actuar como capa aislante.

“El precio que uno paga es que las placas son mucho más grandes porque diluyes el campo eléctrico y usas una capa mucho más grande para el vacío”, dice Wang. “El tamaño de cada qubit individual será mucho mayor que si pudiera contener todo en un dispositivo pequeño. Y el otro problema es que, cuando tienes dos qubits uno al lado del otro; y cada qubit tiene su propio campo eléctrico abierto al espacio libre, puede haber conversaciones no deseadas entre ellos, lo que puede dificultar el control de un solo qubit. A uno le encantaría volver a la idea muy original de un capacitor, que son solo dos placas eléctricas con un aislante muy limpio intercalado en el medio”.

Entonces, eso es lo que hicieron estos investigadores.

Pensaron que el nitruro de boro hexagonal, que pertenece a una familia conocida como materiales de van der Waals (también llamados materiales 2D), sería un buen candidato para construir un capacitor. Este material único se puede diluir en una capa de átomos que tiene una estructura cristalina y no contiene defectos. Luego, los investigadores pueden apilar esas capas delgadas en las configuraciones deseadas.

Para probar el nitruro de boro hexagonal, realizaron experimentos para caracterizar qué tan limpio es el material cuando interactúa con un campo eléctrico de alta frecuencia a temperaturas ultrafrías, y descubrieron que se pierde muy poca energía cuando pasa a través del material.

“Gran parte del trabajo anterior que caracterizó a hBN (nitruro de boro hexagonal) se realizó a una frecuencia cercana a cero utilizando mediciones de transporte de CC. Sin embargo, los qubits operan en el régimen de gigahercios. Es fantástico ver que los condensadores hBN tienen factores de calidad que superan los 100.000 en estas frecuencias, entre las Q más altas que he visto para condensadores de placas paralelas integrados y definidos litográficamente”, dice Oliver.

Construcción de condensadores

Usaron nitruro de boro hexagonal para construir un capacitor de placas paralelas para un qubit. Para fabricar el capacitor, intercalaron nitruro de boro hexagonal entre capas muy delgadas de otro material de van der Waals, diseleniuro de niobio.

El intrincado proceso de fabricación involucró la preparación de capas de materiales de un átomo de espesor bajo un microscopio y luego usar un polímero pegajoso para agarrar cada capa y apilarla una encima de la otra. Colocaron el polímero pegajoso, con la pila de materiales 2D, en el circuito qubit, luego derritieron el polímero y lo lavaron.

Luego conectaron el condensador a la estructura existente y enfriaron el qubit a 20 milikelvins (-273,13 C).  

“Uno de los mayores desafíos del proceso de fabricación es trabajar con diseleniuro de niobio, que se oxidará en segundos si se expone al aire. Para evitar eso, todo el montaje de esta estructura se tiene que hacer en lo que llamamos la guantera, que es una gran caja llena de argón, que es un gas inerte que contiene un nivel muy bajo de oxígeno. Tenemos que hacer todo dentro de esta caja”, dice Wang.

El qubit resultante es unas 100 veces más pequeño que lo que hicieron con técnicas tradicionales en el mismo chip. El tiempo de coherencia, o vida útil, del qubit es solo unos microsegundos más corto con su nuevo diseño. Y los condensadores construidos con nitruro de boro hexagonal contienen más del 90 por ciento del campo eléctrico entre las placas superior e inferior, lo que sugiere que suprimirán significativamente la diafonía entre los qubits vecinos, dice Wang. Este trabajo es complementario a la investigación reciente de un equipo de la Universidad de Columbia y Raytheon .

En el futuro, los investigadores quieren usar este método para construir muchos qubits en un chip para verificar que su técnica reduce la diafonía. También quieren mejorar el rendimiento del qubit ajustando el proceso de fabricación, o incluso construyendo todo el qubit con materiales 2D.

“Ahora hemos despejado el camino para demostrar que puede usar de manera segura tanto nitruro de boro hexagonal como desee sin preocuparse demasiado por los defectos. Esto abre muchas oportunidades donde puedes hacer todo tipo de heteroestructuras diferentes y combinarlas con un circuito de microondas; y hay mucho más espacio que puedes explorar. En cierto modo, estamos dando luz verde a las personas: puede usar este material de la forma que desee sin preocuparse demasiado por la pérdida asociada con el dieléctrico”, dice Wang.

Esta investigación fue financiada, en parte, por la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU., la Fundación Nacional de Ciencias y el Secretario Adjunto de Defensa para Investigación e Ingeniería a través del Laboratorio Lincoln del MIT.

Fuente: Adam Zewé | Oficina de noticias del MIT