Resumen:
Aunque las computadoras cuánticas han tenido durante mucho tiempo un potencial informático asombroso, siempre se han enfrentado a desafíos en el almacenamiento de información. Ahora, un equipo de investigación del Instituto Federal Suizo de Tecnología en Zurich (ETH Zurich) ha propuesto una nueva arquitectura de computación cuántica que almacena información provocando vibraciones mecánicas en microestructuras, reduciendo significativamente el tamaño de la memoria cuántica y se espera que siente las bases para futuras computadoras cuánticas universales programables.
El nuevo chip cuántico desarrollado por el equipo de investigación utiliza un pequeño componente llamado "resonador mecánico". Cuando un sistema necesita preservar información cuántica, estas estructuras comienzan a vibrar a frecuencias extremadamente altas y la información se almacena en estos estados vibratorios. El chip completo mide aproximadamente 7,5 mm de largo, 2,5 mm de ancho y 1 mm de alto, y tiene sólo el tamaño de una uña pequeña.
El sistema funciona de forma similar a una guitarra, afirma el líder del proyecto Yiwen Chu, físico cuántico de ETH Zurich. Las cuerdas de guitarra vibran para producir notas musicales, y los nuevos chips cuánticos utilizan vibraciones mecánicas microscópicas mucho más allá del alcance del oído humano para preservar y procesar información cuántica. Sin embargo, estas vibraciones no son sonidos, sino un portador de estado cuántico.
En la actualidad, los ordenadores cuánticos superconductores convencionales suelen adoptar un diseño altamente integrado, con qubits responsables tanto de las tareas informáticas como del almacenamiento de información. Aunque este método tiene una estructura simple, el tiempo que los qubits almacenan información es relativamente corto y los datos se pierden fácilmente al realizar operaciones complejas y de largo plazo. Para resolver este problema, los sistemas existentes generalmente conectan resonadores electromagnéticos adicionales que se utilizan como memoria. Estos resonadores pueden preservar temporalmente los estados cuánticos, permitiendo que los qubits los vuelvan a leer cuando sea necesario. Sin embargo, estas estructuras a menudo dependen de cavidades resonantes de microondas, y las longitudes de onda de las microondas suelen estar en el rango de centímetros, por lo que los tamaños de los componentes asociados también son grandes.
Para los ordenadores cuánticos, que deben funcionar a temperaturas cercanas al cero absoluto, el espacio es un recurso extremadamente valioso. Todo el sistema debe colocarse en un gran dispositivo de enfriamiento criogénico, y el voluminoso módulo de memoria electromagnética limitará significativamente las capacidades de expansión del sistema. El equipo de ETH Zurich optó por un enfoque completamente diferente.
Almacenan información cuántica no en ondas electromagnéticas en forma de fotones, sino en vibraciones mecánicas llamadas "fonones". Dado que la velocidad de propagación de las ondas sonoras en los sólidos es mucho menor que la velocidad de la luz, sus correspondientes longitudes de onda también se acortan considerablemente. Esto significa que se pueden acomodar más unidades de almacenamiento de información en el mismo espacio. El equipo de investigación dijo que esta nueva arquitectura distingue claramente por primera vez las responsabilidades del procesador cuántico y la memoria de trabajo cuántica, similar a la relación entre la CPU y la RAM en las computadoras digitales modernas. Los qubits superconductores son responsables del cálculo y el control, mientras que los resonadores mecánicos sirven como memoria de trabajo y guardan datos temporales durante las operaciones.
Los investigadores creen que este diseño no solo mejora la densidad de almacenamiento, sino que también mejora la eficiencia de la organización del sistema. Debido a que el procesamiento cuántico y el almacenamiento cuántico están repartidos, cada componente puede centrarse en las tareas que mejor realiza, mejorando así el rendimiento general.
Durante el experimento, el equipo utilizó con éxito esta arquitectura para completar operaciones básicas de lógica cuántica y tareas de computación cuántica más complejas, y verificó la viabilidad de este diseño en sistemas reales. Los investigadores creen que esto marca un paso importante hacia sistemas verdaderamente programables en la arquitectura de computación cuántica.
Chu Yiwen dijo que la colaboración eficiente entre los procesadores cuánticos y las memorias cuánticas es una base importante para que las futuras computadoras cuánticas puedan resolver problemas que las computadoras tradicionales no pueden manejar. Ella cree que sólo estableciendo una arquitectura con una clara división del trabajo similar a la de las computadoras modernas, las computadoras cuánticas podrán lograr un desarrollo a mayor escala.
Actualmente, este logro se encuentra todavía en la etapa de investigación experimental y aún está lejos de las computadoras cuánticas comerciales. Sin embargo, los expertos de la industria creen que a medida que la escala del hardware cuántico continúa expandiéndose, cómo almacenar y recuperar información cuántica de manera eficiente se convertirá en un factor importante para determinar las capacidades futuras de la computación cuántica. Esta nueva idea de utilizar vibraciones mecánicas para construir memoria cuántica puede proporcionar un camino técnico clave para la próxima generación de plataformas de computación cuántica.
Comentarios