Los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han demostrado que un tipo de qubit con una arquitectura más susceptible a la producción en masa supera a los qubits que actualmente dominan el campo. Con una serie de análisis matemáticos, los científicos han proporcionado una hoja de ruta para la fabricación de qubits simples que permita una fabricación robusta y confiable de estos componentes básicos de computadoras cuánticas.
La investigación se llevó a cabo como parte del Centro de Co-Diseño para Quantum Advantage.2QA), un Centro Nacional de Investigación de Ciencias de la Información Cuántica del DOE dirigido por Brookhaven Lab, se basa en años de colaboración científica centrada en mejorar el rendimiento de los qubits para computadoras cuánticas escalables. Recientemente, los científicos han estado trabajando para aumentar la cantidad de tiempo que los qubits pueden contener información cuántica, una propiedad conocida como coherencia que está estrechamente relacionada con la calidad de las uniones de los qubits.
Se han centrado especialmente en los qubits superconductores cuya arquitectura consta de dos capas superconductoras separadas por un aislante. Esta parte del qubit se conoce como unión SIS, que significa superconductor-aislante-superconductor. Pero la fabricación fiable de este tipo de uniones tipo sándwich no es fácil, especialmente con la precisión necesaria para la producción en masa de ordenadores cuánticos.
“Hacer uniones SIS es verdaderamente un arte”, afirmó Charles Black, coautor del artículo publicado recientemente. Examen físico A y director del Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Brookhaven Lab.
El científico senior de CFN y autor principal del artículo, Blake y Ming-Zhao Liu, formaron parte del equipo.2Desde su lanzamiento en QA 2020. Y mientras ayuda a los científicos cuánticos a mejorar su comprensión de la ciencia material de los qubits, también siente curiosidad por la escalabilidad de este arte de crear qubits y su relevancia para la inevitable necesidad. Construyendo computadoras cuánticas a gran escala.
Por lo tanto, los científicos centraron su atención en las arquitecturas qubit en las que las uniones superconductoras constan de dos capas conectadas por un fino cable superconductor en lugar de una capa aislante intermedia. Conocida como cruces de construcción, esta arquitectura se coloca plana en lugar de apilarse como un sándwich. Y lo que es más importante, el proceso de fabricación de uniones de construcción se ajusta a las prácticas estándar en las instalaciones de fabricación de semiconductores.
“En nuestro trabajo, investigamos el impacto de este cambio arquitectónico”, dijo Black. “Nuestro objetivo era comprender las ventajas y desventajas del rendimiento al cambiar a cruces de construcción”.
Control de flujos y líneas de corriente.
La arquitectura qubit superconductora más frecuente funciona mejor cuando la unión que conecta los dos superconductores transporta sólo una pequeña cantidad de corriente. Aunque el aislante en el sándwich SIS evita casi toda la transmisión de corriente, es lo suficientemente delgado como para permitir que una pequeña cantidad pase a través de un mecanismo conocido como túnel cuántico.
“La arquitectura SIS es ideal para los qubits superconductores actuales, aunque es difícil de fabricar”, afirmó Black. “Pero es un poco contradictorio reemplazar el SIS con una resistencia, que conduce mucha corriente internamente”.
A través de su análisis, los investigadores demostraron que es posible reducir la corriente que viaja a través de un cruce de construcción a un nivel adecuado para un qubit superconductor. Sin embargo, el método requiere metales superconductores menos convencionales.
“Si usáramos aluminio, tantalio o niobio, el alambre de construcción tendría que ser imprácticamente delgado”, explicó Liu. “Otros superconductores que no funcionan nos permitirán construir uniones en dimensiones prácticas”.
Sin embargo, los cruces de construcción se comportan de manera diferente a sus homólogos SIS. Por ello, los científicos también investigaron las consecuencias de realizar este cambio arquitectónico.
Para funcionar, los qubits superconductores requieren cierta no linealidad, lo que limita el funcionamiento del qubit entre solo dos niveles de energía. Los superconductores no exhiben naturalmente un comportamiento no lineal; es la unión del qubit la que introduce esta propiedad clave.
Las uniones de construcción superconductoras son inherentemente más lineales que las uniones SIS probadas y verdaderas, lo que significa que son menos ideales para arquitecturas qubit. Sin embargo, los científicos descubrieron que la no linealidad de la unión de la construcción se puede ajustar mediante la elección del material superconductor y el diseño adecuado del tamaño y la forma de la unión.
“Estamos entusiasmados con este trabajo porque este material dirige a los científicos hacia objetivos específicos basados en los requisitos del instrumento”, explicó Liu. Por ejemplo, los científicos señalaron que para los qubits que operan entre 5 y 10 GHz, lo cual es común en la electrónica actual, la capacidad del material para transportar electricidad, determinada por su resistencia, y la unión requiere ciertas compensaciones entre la no linealidad de
“Algunas combinaciones de propiedades materiales simplemente no son factibles para los qubits que funcionan a 5 GHz”, afirmó Black. Pero con materiales que cumplan los criterios descritos por los científicos de Brookhaven, los qubits con uniones constructivas pueden comportarse como qubits con uniones SIS.
Leo y Blake están trabajando actualmente con su C.2Los colegas de control de calidad buscan materiales que cumplan con las especificaciones descritas en su nuevo artículo. En particular, los sulfuros de metales de transición superconductores han atraído la atención porque estos materiales ya se utilizan en la fabricación de semiconductores.
“En este trabajo, demostramos que es posible reducir las propiedades relativas de las uniones de construcción”, dijo Liu. “Por lo tanto, ahora podemos empezar a aprovechar el proceso simplificado de fabricación de qubits”.
Esta función da la forma C.2El principio central de codiseño del control de calidad, mientras Liu y Blake exploran una arquitectura qubit que puede cumplir con los requisitos de la computación cuántica y ser compatible con las capacidades de fabricación de productos electrónicos existentes.
“Este tipo de colaboraciones interdisciplinarias seguirán acercándonos a la comprensión de las computadoras cuánticas escalables”, dijo Black. “Es casi difícil creer que los humanos hayan logrado las computadoras cuánticas que tenemos hoy. Estamos entusiasmados de desempeñar nuestro papel para ayudar a C2Que QA logre sus objetivos.”
