Físicos Desarrollan un Ordenador Cuántico Especial con 256 Qubits

En lo que constituye un importante avance en la computación cuántica, un equipo de físicos del Centro de Átomos Ultracold de Harvard-MIT y otras universidades han creado un tipo especial de ordenador cuántico. Este sistema se llama simulador cuántico programable, y puede operar con 256 bits cuánticos, o “qubits”. Los qubits son fundamentales para el funcionamiento de los ordenadores cuánticos, y son la fuente de su potencia de procesamiento.

El nuevo desarrollo nos acerca a lograr máquinas cuánticas a gran escala, que podrían ser utilizadas para obtener una comprensión profunda de procesos cuánticos complejos. También podrían tener implicaciones importantes en campos como la ciencia de materiales, las tecnologías de comunicación, las finanzas y varios otros que actualmente enfrentan barreras en la investigación.

La investigación se publicó el 9 de julio en Nature. 

Impulsando el Campo Adelante

Mikhail Lukin es el profesor de Física George Vasmer Leverett y codirector de la Iniciativa de Computación Cuántica de Harvard. También es uno de los autores principales del estudio.

“Esto mueve el campo a un nuevo dominio donde nadie ha estado hasta ahora”, dijo Lukin. “Estamos entrando en una parte completamente nueva del mundo cuántico”.

Sepehr Ebadi es un estudiante de física en la Escuela de Graduados de Artes y Ciencias y el autor principal del estudio.

Según Ebadi, las características más destacadas del sistema son su tamaño y programabilidad, lo que lo convierte en uno de los mejores sistemas alrededor. Puede aprovechar las propiedades de la materia a escalas extremadamente pequeñas, lo que permite avanzar en la potencia de procesamiento. Un aumento en los qubits puede ayudar al sistema a almacenar y procesar exponencialmente más información que los bits clásicos, en los que confían los ordenadores estándar.

“La cantidad de estados cuánticos que son posibles con solo 256 qubits supera la cantidad de átomos en el sistema solar”, dijo Ebadi.

El simulador ha permitido a los investigadores observar estados cuánticos exóticos de la materia, así como realizar un estudio de transición de fase cuántica, que fue extremadamente preciso y demostró cómo funciona el magnetismo a nivel cuántico.

Según los investigadores, estos experimentos podrían ayudar a los científicos a aprender a diseñar nuevos materiales con propiedades exóticas.

El Nuevo Sistema

El proyecto se basa en una plataforma desarrollada en 2017 por los investigadores, pero se mejoró significativamente esta vez. Podía alcanzar un tamaño de 51 qubits en el pasado, y les permitió capturar átomos de rubidio ultrafríos y organizarlos en un orden específico a través del uso de una matriz unidimensional de haces láser enfocados individualmente. 

Este sistema permite que los átomos se ensamblen en matrices bidimensionales de pinzas ópticas, que es el nombre de los haces láser. Esto permite que el tamaño del sistema aumente de 51 a 256 qubits. Los investigadores pueden utilizar las pinzas para organizar los átomos en patrones sin defectos y crear formas programables, lo que permite diferentes interacciones entre los qubits.

“El caballo de batalla de esta nueva plataforma es un dispositivo llamado modulador de luz espacial, que se utiliza para dar forma a una onda óptica para producir cientos de haces de pinzas ópticas enfocados individualmente”, dijo Ebadi. “Estos dispositivos son esencialmente los mismos que se utilizan dentro de un proyector de computadora para mostrar imágenes en una pantalla, pero los hemos adaptado para ser un componente crítico de nuestro simulador cuántico”.

Los átomos se cargan primero en las pinzas ópticas de manera aleatoria antes de que los investigadores muevan los átomos y los organicen en geometrías objetivo. Un segundo conjunto de pinzas ópticas móviles se utiliza para arrastrar los átomos a sus ubicaciones deseadas, lo que elimina la aleatoriedad inicial. Los láseres permiten a los investigadores tener un control total sobre la posición de los qubits atómicos y su manipulación cuántica coherente.

Tout Wang es un asociado de investigación en física en Harvard y uno de los autores del artículo.

“Nuestro trabajo es parte de una carrera global muy intensa y de alta visibilidad para construir ordenadores cuánticos más grandes y mejores”, dijo Wang. “El esfuerzo general [más allá del nuestro] tiene instituciones de investigación académica de primer nivel involucradas y una importante inversión del sector privado de Google, IBM, Amazon y muchos otros”.

El equipo ahora está trabajando para mejorar el sistema mejorando el control del láser sobre los qubits, así como haciendo que el sistema sea más programable. Según los investigadores, las posibles aplicaciones incluyen sondear formas exóticas de materia cuántica y resolver problemas del mundo real que se pueden codificar naturalmente en los qubits.

“Este trabajo permite una gran cantidad de nuevas direcciones científicas”, dijo Ebadi. “No estamos cerca de los límites de lo que se puede hacer con estos sistemas”.