Los computadores cuánticos podrían resolver problemas complejos que los ordenadores clásicos no pueden, como la modelización de interacciones moleculares para la creación de fármacos y el desarrollo de nuevos materiales.
Sin embargo, para construir un computador cuántico superconductores grande y robusto para aplicaciones reales, es necesario que los científicos diseñen miles de circuitos cuánticos que realicen operaciones con la menor tasa de error posible.
Técnica para medir correcciones armónicas
Con el objetivo de ayudar a los científicos a diseñar circuitos más predecibles, investigadores del MIT y del Lincoln Laboratory desarrollaron una técnica para medir una propiedad que puede causar que un circuito cuántico superconductores se desvíe inesperadamente de su comportamiento esperado. Su análisis reveló la fuente de estas distorsiones, conocidas como correcciones armónicas de segundo orden, que llevan a arquitecturas de circuitos de bajo rendimiento.
Los investigadores del MIT fabricaron un dispositivo para detectar estas correcciones, identificar su origen y medir con precisión su intensidad. Esta técnica podría ayudar a los científicos a diseñar circuitos cuánticos que contrarresten los efectos de estas desviaciones.
Importancia de las correcciones armónicas
Esto es especialmente relevante en circuitos cuánticos más grandes y complejos, donde el impacto negativo de las correcciones armónicas de segundo orden puede amplificarse. “A medida que hacemos nuestros computadores cuánticos más grandes y queremos tener un control más preciso sobre los parámetros de estos dispositivos, identificar y medir estos efectos será fundamental para entender cómo están construidos estos sistemas”, afirma Max Hays, científico investigador del grupo de Ingeniería de Sistemas Cuánticos (EQuS) del Laboratorio de Electrónica (RLE) y coautor de un artículo sobre esta investigación.
Hays es coautor junto a Junghyun Kim, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica y ciencias de la computación (EECS) en el grupo EQuS, y otros investigadores del MIT y el Lincoln Laboratory. La investigación se publica en Nature Physics.
Problemas en los circuitos cuánticos
En un computador cuántico que utiliza circuitos superconductores, los uniones Josephson son elementos críticos que permiten la transferencia y manipulación de información. Estos dispositivos utilizan dos hilos superconductores muy cercanos, con una barrera a escala nanométrica entre ellos. Al igual que en un circuito tradicional, la carga eléctrica en las uniones Josephson es transportada por electrones.
Sin embargo, en un circuito superconductor, los electrones que transportan carga se agrupan en lo que se conoce como pares de Cooper. Estos pares pueden “túnel cuántico” a través de la barrera entre los dos hilos, transportando corriente de uno a otro.
Normalmente, los pares de Cooper solo pueden túnelizar un par a la vez, lo que es fundamental para la computación cuántica. “Si intentas forzar más pares de Cooper a través, simplemente no funciona. Este efecto no lineal es extremadamente importante para todos nuestros circuitos”, explica Hays.
Identificación de distorsiones
No obstante, a veces los pares de Cooper pueden atravesar la barrera en pares, lo que se conoce como corrección armónica de segundo orden. Este efecto limita el rendimiento de un circuito cuántico diseñado para permitir solo el túnel de un solo par.
“Si dos pares de Cooper túnelizan al mismo tiempo, la suposición que usamos para construir nuestro circuito ya no se aplica. Necesitamos arreglar el circuito para que pueda manejar eso”, dice Kim.
Antes de corregir el circuito, los científicos necesitan conocer la fuente y la intensidad de estas distorsiones. Para obtener esta información, los investigadores del MIT fabricaron un circuito cuántico muy sensible a estos efectos, diseñado para suprimir el proceso de túnel cuántico de pares de Cooper individuales, permitiendo que el túnel de dos pares continúe.
Estudios futuros
De esta manera, pueden detectar la presencia de correcciones armónicas de segundo orden y medir su intensidad. También pueden utilizar este circuito para identificar la fuente de estas armónicas, lo que ayuda a los investigadores a encontrar la mejor forma de corregirlas.
Existen dos fuentes potenciales de armonías de segundo orden: una es intrínseca a la dinámica de la unión Josephson y la otra es provocada por los hilos que conectan la unión con otros elementos del circuito. Aunque investigaciones anteriores indicaron que las armonías de segundo orden podrían deberse a la dinámica de la unión, los investigadores del MIT encontraron que la inductancia adicional, que tiende a oponerse a los cambios en el flujo de corriente eléctrica, provenía de los hilos del circuito.
“Esto es importante porque, si sabemos de dónde proviene la corrección armónica de segundo orden, podemos predecir cuán fuerte es y utilizar esa información para diseñar circuitos más predecibles que, con suerte, funcionen mejor”, concluye Hays.
