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Miden la precisión de dos operaciones de qubit en silicio

[16/05/2019] Investigadores de la Universidad de Nueva Gales del Sur han medido por primera vez la precisión de dos operaciones de qubit en silicio, dando resultados de fidelidad que "confirman la promesa" de que el silicio es una plataforma viable y escalable para futuras computadoras cuánticos.

El equipo del profesor Andrew Dzurak en UNSW Engineering fue el primero en construir una puerta de lógica cuántica en silicio -haciendo posibles los cálculos entre dos qubits de información- en el 2015.

El logro ha sido emulado por grupos de todo el mundo, pero una evaluación precisa de las fidelidades de las puertas lógicas ha resultado difícil, lo que significa que su verdadera exactitud sigue siendo una incógnita.

En un artículo publicado hoy en Nature, Dzurak y su equipo demuestran el éxito de la medición de la fidelidad en una puerta lógica de silicio de dos qubits utilizando un método llamado "benchmarking aleatorio basado en Clifford".

"Para evaluar la precisión de un sistema qubit necesitamos simular cómo se comporta ese sistema para cualquier posible cálculo que se le asigne a una computadora cuántica. Para los cálculos entre dos qubits ya hay más de 11 mil operaciones básicas posibles que se pueden realizar. Cada uno de ellos produce una rotación específica de un espín que depende del estado del otro", indicó Dzurak.

Estas operaciones básicas se llaman puertas Clifford. Para evaluar la precisión de una operación de dos qubit, los investigadores aplicaron un enorme conjunto aleatorio de puertas de Clifford a los dos giros de sus dos qubits y "ver cuán cerca está nuestro estado de dos qubit de lo que pretendemos".

Se encontró que el promedio de fidelidad de dos qubit de la puerta era del 98%.

"Eso demuestra que nos estamos acercando a una precisión que, es lo suficientemente cercana para la corrección de errores cuánticos", añadió Dzurak.

Los experimentos fueron realizados por Wister Huang, estudiante de último año de doctorado en ingeniería eléctrica, y el Dr. Henry Yang, investigador senior de la UNSW.

"Logramos una fidelidad tan alta al caracterizar y mitigar las fuentes primarias de error, mejorando así la fidelidad de la puerta lógica hasta el punto en que se podían realizar secuencias de referencia aleatorias de longitud significativa -más de 50 operaciones de puerta- en nuestro dispositivo de dos qubits", indicó Huang, el autor principal del documento.

En abril, Yang fue coautor de un artículo con investigadores de la Universidad de Sydney en el que se explicaba cómo lograron el récord de la puerta de un cuarto de bit más precisa del mundo en un punto cuántico de silicio, con una fidelidad del 99,96%.

"La fidelidad es un parámetro crítico que determina la viabilidad de una tecnología qubit: solo se puede aprovechar la enorme potencia de la computación cuántica si las operaciones qubit son casi perfectas y solo se permiten pequeños errores", explicó Yang.

Los resultados son "una prueba más" de que el impulso de los investigadores sobre el silicio como plataforma para escalar hasta el gran número de qubits necesarios para la computación cuántica universal es la elección correcta, dijeron.

"Si nuestro valor de fidelidad hubiera sido demasiado bajo, habría significado serios problemas para el futuro de la computación cuántica de silicio. El hecho de que esté cerca del 99% lo sitúa en el terreno de juego que necesitamos, y hay excelentes perspectivas de nuevas mejoras. Nuestros resultados muestran inmediatamente, como predijimos, que el silicio es una plataforma viable para la computación cuántica a gran escala", anotó Dzurak.

Dado que las fidelidades medidas estaban limitadas por los tiempos de puerta relativamente largos utilizados en comparación con los tiempos de decoherencia de los qubits, se espera que los diseños de qubit de silicio que emplean operaciones de puerta más rápidas, junto con técnicas avanzadas de pulsación, empujen las lecturas de precisión aún más hacia arriba.

Creemos que lograremos una fidelidad significativamente mayor en un futuro próximo, abriendo el camino a la computación cuántica a escala real y tolerante a fallas". Ahora estamos al borde de una precisión de dos bits que es lo suficientemente alta para la corrección de errores cuánticos", aseguró Dzurak.

Dzurak es líder de proyecto en Silicon Quantum Computing, la primera compañía de hardware de computación cuántica de Australia, que espera comercializar qubits de espín basados en la tecnología CMOS (metal-óxido-semiconductor complementario) de silicio.

Los otros autores del trabajo son los investigadores de la UNSW Tuomo Tanttu, Ross Leon, Fay Hudson, Andrea Morello y Arne Laucht, así como los ex miembros del equipo de Dzurak, Kok Wai Chan, Bas Hensen, Michael Fogarty y Jason Hwang. El profesor Kohei Itoh, de la Universidad de Keio (Japón), proporcionó las obleas de silicio enriquecidas isotópicamente necesarias para el proyecto.

"Este hito es otro paso hacia la realización de una computadora cuántica a gran escala, y refuerza el hecho de que el silicio es un enfoque extremadamente atractivo que creemos que hará que el UNSW llegue primero", añadió el Decano de Ingeniería de la UNSW, Profesor Mark Hoffman.