Hardware cuántico a gran escala: récord con una matriz de 6.100 cúbits

Físicos de Caltech han creado la matriz de cúbits más grande jamás ensamblada: 6.100 cúbits de átomos neutros atrapados en una cuadrícula mediante láseres. Las anteriores contenían solo cientos de cúbits.

Este hito se produce en medio de una creciente carrera por ampliar la escala de las computadoras cuánticas. Existen varios enfoques en desarrollo, incluyendo aquellos basados en circuitos superconductores, iones atrapados y átomos neutros, como los utilizados en el nuevo estudio.

Las computadoras cuánticas necesitarán una gran cantidad de cúbits para abordar problemas complejos en física, química y otras disciplinas. A diferencia de los bits clásicos, los cúbits pueden existir en dos estados a la vez, un fenómeno llamado superposición. Esta peculiaridad de la física cuántica otorga a las computadoras cuánticas la capacidad de realizar ciertos cálculos complejos mejor que sus contrapartes clásicas, pero también implica que los cúbits son frágiles.

Para compensar esto, los investigadores están construyendo computadoras cuánticas con cúbits adicionales y redundantes para corregir cualquier error. Por eso, las computadoras cuánticas robustas requerirán cientos de miles de cúbits.

"Este es un momento emocionante para la computación cuántica de átomos neutros", afirma en un comunicado Manuel Endres, profesor de física en Caltech. "Ahora podemos vislumbrar un camino hacia grandes computadoras cuánticas con corrección de errores. Los cimientos están listos". Endres es el investigador principal de la investigación publicada en Nature. Tres estudiantes de posgrado de Caltech lideraron el estudio: Hannah Manetsch, Gyohei Nomura y Elie Bataille.

El equipo utilizó pinzas ópticas (rayos láser altamente enfocados) para atrapar miles de átomos individuales de cesio en una cuadrícula. Para construir la matriz de átomos, los investigadores dividieron un rayo láser en 12.000 pinzas, que en conjunto sujetaron 6.100 átomos en una cámara de vacío. "En la pantalla, podemos ver cada cúbit como un punto de luz", afirma Manetsch. Es una imagen impactante del hardware cuántico a gran escala.

Un logro clave fue demostrar que esta mayor escala no se logró a costa de la calidad. Incluso con más de 6.000 cúbits en una sola matriz, el equipo los mantuvo en superposición durante unos 13 segundos (casi 10 veces más de lo que era posible en matrices similares anteriores), mientras manipulaba cúbits individuales con una precisión del 99,98 %.

"A menudo se piensa que la gran escala, con más átomos, se logra a costa de la precisión, pero nuestros resultados demuestran que podemos lograr ambas cosas", afirma Nomura. "Los cúbits no son útiles sin calidad. Ahora tenemos cantidad y calidad".

El equipo también demostró que podían mover los átomos cientos de micrómetros a lo largo de la matriz manteniendo la superposición. La capacidad de mover cúbits es una característica clave de los ordenadores cuánticos de átomos neutros, que permite una corrección de errores más eficiente en comparación con las plataformas tradicionales de cableado físico, como los cúbits superconductores.

Manetsch compara la tarea de mover átomos individuales manteniéndolos en estado de superposición con equilibrar un vaso de agua mientras se corre. "Intentar sujetar un átomo mientras se mueve es como intentar que el vaso no se vuelque. Intentar mantener el átomo en estado de superposición es como tener cuidado de no correr tan rápido que el agua salpique", afirma.

El próximo gran hito en este campo es implementar la corrección de errores cuánticos a escala de miles de cúbits físicos, y este trabajo demuestra que los átomos neutros son un sólido candidato para lograrlo.

"Las computadoras cuánticas tendrán que codificar la información de forma que sea tolerante a errores, para que podamos realizar cálculos de valor", afirma Bataille. "A diferencia de las computadoras clásicas, los cúbits no se pueden copiar simplemente debido al llamado teorema de no clonación, por lo que la corrección de errores debe basarse en estrategias más sutiles".

De cara al futuro, los investigadores planean vincular los cúbits de su matriz en un estado de entrelazamiento, donde las partículas se correlacionan y se comportan como una sola. El entrelazamiento es un paso necesario para que las computadoras cuánticas vayan más allá del simple almacenamiento de información en superposición; les permitirá comenzar a realizar cálculos cuánticos completos. También es lo que otorga a las computadoras cuánticas su máximo poder: la capacidad de simular la naturaleza misma, donde el entrelazamiento moldea el comportamiento de la materia a todas las escalas.