Una empresa emergente alemana ha presentado el primer sistema de computación cuántica basado en diamantes del mundo que supera los 10 cúbits. La máquina, construida por ingenieros de Saxon Q, es una computadora cuántica de vacantes de nitrógeno (NV), lo que significa que utiliza defectos en diamantes sintéticos como bits cuánticos (qubits) para realizar operaciones cuánticas. Los qubits pueden manipularse para representar los 0 y 1 de los datos, así como estados cuánticos que son superposiciones de ambos.
Actualmente, el hardware está disponible en sistemas para montaje en rack con capacidad para hasta 128 cúbits, y las configuraciones de 512 cúbits estarán disponibles el próximo año. Según la hoja de ruta de la compañía, el objetivo es alcanzar los 10.000 cúbits y superarlos después de 2030.
Aunque la tecnología ya existía antes de este debut, a los científicos les ha resultado difícil construir sistemas de más de 10 cúbits debido a la dificultad de crear cúbits de vacantes de nitrógeno. Aunque Live Science tuvo acceso a un documento técnico que describía el funcionamiento de la tecnología, no parecía existir ninguna investigación publicada que demostrara el funcionamiento de una computadora cuántica basada en la arquitectura NV con más de 10 cúbits antes de este lanzamiento. Aún no está claro qué tan bien se comparan las computadoras cuánticas de la empresa con otras plataformas.
Mecánica cuántica y diamantes defectuosos
En la década de 1970, los científicos descubrieron que ciertos diamantes brillaban con una intensa luz roja al ser iluminados de una manera específica. Investigaciones posteriores determinaron que este cambio óptico se debía al daño por radiación durante el recocido, que atraía átomos de nitrógeno sustitucionales aislados. En otras palabras, la naturaleza produce ocasionalmente un diamante con un átomo de nitrógeno donde debería haber un átomo de carbono.
Los átomos de nitrógeno no integrados son atraídos hacia la vacante en los átomos de carbono, que de otro modo estarían perfectamente ordenados, dentro del diamante. Si bien estos diamantes con defectos son poco frecuentes en la naturaleza, los científicos pueden crear diamantes con vacantes de nitrógeno en laboratorios. Desde el punto de vista funcional, los átomos de nitrógeno individuales dentro de las vacantes actúan como si estuvieran “atrapados”, y sus electrones pueden “girar” independientemente de los electrones dentro de los átomos de carbono circundantes.
Los científicos aprovechan esta característica de “espín” utilizando láseres especiales para colocar los electrones del átomo de nitrógeno en un estado específico que miden como “cero”. Luego, pueden usar pulsos de microondas para manipular con precisión los electrones y crear numerosas configuraciones, incluidos estados cuánticos que los “bits” binarios no pueden alcanzar. Marius Grundmann, profesor de física experimental en la Universidad de Leipzig y cofundador de Saxon Q, afirmó que el avance que permitió a su empresa superar la barrera de los 10 cúbits fue un descubrimiento de materiales.
Cuando el equipo de Saxon Q crea la vacante dentro de sus diamantes cultivados en laboratorio, coinfectan azufre. Según Grundman, “Ese es el punto clave de la tecnología. Porque el azufre eleva el potencial químico hasta un punto en el que se carga negativamente. El azufre proporciona el electrón; además, el azufre crea la vacante unida al nitrógeno con un rendimiento muy alto”.
En otras palabras, mediante la coimplantación de átomos de azufre, los investigadores de Saxon Q pueden ejercer un mayor control sobre los cúbits individuales. Una vez configurados con láseres y sometidos a pulsos de microondas, los cúbits están listos para la corrección de errores. En un comunicado, los representantes de Saxon Q afirmaron que los cúbits alcanzaron una tasa de fidelidad del 99,92% —menos de un error por cada 1000 operaciones— antes de la corrección de errores.
Sin embargo, Grundmann declaró a Live Science que las últimas cifras, al 22 de julio, mostraban una fidelidad del 99,98% en operaciones con un solo cúbit. Esto es comparable a los resultados de corrección de errores de última generación reportados por otros laboratorios de computación cuántica, como los de IBM y el MIT, aunque no fue posible verificar los resultados de forma independiente.
Computación cuántica a temperatura ambiente
Resulta difícil comparar los sistemas NV basados en diamante de Saxon Q con plataformas de computación cuántica más consolidadas, como los cúbits superconductores. La mayoría de las investigaciones recientes sobre sistemas NV se han centrado en aplicaciones de detección cuántica, aunque al menos un estudio preliminar analiza sistemas híbridos NV/superconductores.
“Tenemos una computadora cuántica completamente funcional”, declaró Grundmann a Live Science. Según Grundmann, las computadoras cuánticas de la compañía están a la par con las que utilizan otras tecnologías. “Tenemos una computadora cuántica capaz de ejecutar código cuántico al que se puede acceder a través de la red, y es un sistema multiusuario, multitarea y multinúcleo”, afirmó.
Si los sistemas Saxon Q resultan ser comparables a las arquitecturas de computación cuántica de estado sólido existentes, estarían entre la primera generación de ordenadores cuánticos a temperatura ambiente en alcanzar un rendimiento similar al de los sistemas que requieren criogenia y monitorización in situ. La facilidad de instalación es notable. Los dispositivos de Saxon Q se pueden insertar en un rack de computadora estándar y conectar directamente a la corriente alterna.
Esto supone una clara ventaja a corto plazo para los clientes que desean ejecutar algoritmos en un sistema cuántico sin utilizar la nube. Grundmann afirmó que esto podría ser especialmente importante en escenarios de computación perimetral, como la conducción autónoma o la robótica, donde la comunicación en la nube podría generar una latencia inaceptable.
Las investigaciones que comparan sistemas cuánticos de estado sólido indican que las computadoras cuánticas superconductoras suelen operar más rápido que los sistemas NV basados en diamante. Sin embargo, no está claro cuál sería la relación entre la velocidad de procesamiento y la latencia en la nube, ni si podría solucionarse mediante la escalabilidad.
El principal desafío para escalar las computadoras cuánticas NV basadas en diamante más allá del rango de 512 cúbits radica en el tamaño de los chips. Los chips actuales de Saxon Q están limitados a admitir ocho o dieciséis cúbits. Para sistemas más potentes, los científicos necesitarán integrar cientos, o incluso miles, de cúbits en una sola matriz para admitir operaciones que requieran cientos de miles o millones de cúbits.
Fuente: Live Science.
