Por: Chetan Nayak, miembro técnico y vicepresidente corporativo de Quantum Hardware.
Las computadoras cuánticas prometen transformar la ciencia y la sociedad, pero solo después de que alcancen la escala que alguna vez pareció lejana y difícil de alcanzar, y su confiabilidad esté garantizada por la corrección de errores cuánticos. Hoy, anunciamos rápidos avances en el camino hacia la computación cuántica útil:
- Majorana 1: la primera unidad de procesamiento cuántico (QPU, por sus siglas en inglés) del mundo impulsada por un núcleo topológico, diseñada para escalar a un millón de qubits en un solo chip.
- Un qubit topológico protegido por hardware: una investigación publicada en Nature, junto con los datos compartidos en la reunión de la Estación Q, demuestran nuestra capacidad para aprovechar un nuevo tipo de material y diseñar un tipo bastante diferente de qubit que es pequeño, rápido y controlado de manera digital.
- Una hoja de ruta de dispositivos para una computación cuántica fiable: nuestro camino desde dispositivos de un solo qubit hasta matrices que permiten la corrección de errores cuánticos.
- Construcción del primer prototipo tolerante a fallos (FTP, por sus siglas en inglés) del mundo basado en qubits topológicos: Microsoft está en camino de construir un FTP de una computadora cuántica escalable, en años, no décadas, como parte de la fase final del programa de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA, por sus siglas en inglés) para Sistemas Subexplorados para la Computación Cuántica a Escala de Servicios Públicos (US2QC, por sus siglas en inglés).
Juntos, estos hitos marcan un momento crucial en la computación cuántica a medida que avanzamos desde la exploración científica hasta la innovación tecnológica.
Aprovechamiento de un nuevo tipo de material
Todos los anuncios de hoy se basan en el reciente avance de nuestro equipo: el primer topoconductor del mundo. Esta revolucionaria clase de materiales nos permite crear la superconductividad topológica, un nuevo estado de la materia que antes solo existía en teoría. El avance se deriva de las innovaciones de Microsoft en el diseño y fabricación de dispositivos definidos por puerta que combinan arseniuro de indio (un semiconductor) y aluminio (un superconductor). Cuando se enfrían hasta casi el cero absoluto y se sintonizan con campos magnéticos, estos dispositivos forman nanocables superconductores topológicos con modos cero de Majorana (MZM, por sus siglas en inglés) en los extremos de los cables.
Durante casi un siglo, estas cuasipartículas solo existieron en los libros de texto. Ahora, podemos crearlos y controlarlos bajo demanda en nuestros topoconductores. Los MZM son los bloques de construcción de nuestros qubits, que almacenan información cuántica a través de la «paridad», ya sea que el cable contenga un número par o impar de electrones. En los superconductores convencionales, los electrones se unen en pares de Cooper y se mueven sin resistencia. Cualquier electrón desapareado puede ser detectado porque su presencia requiere energía extra. Nuestros topoconductores son diferentes: aquí, un electrón desapareado se comparte entre un par de MZM, lo que lo hace invisible para el entorno. Esta propiedad única protege la información cuántica.
Si bien esto hace que nuestros topoconductores sean candidatos ideales para los qubits, también presenta un desafío: ¿cómo leemos la información cuántica que está tan bien oculta? ¿Cómo podemos distinguir entre, digamos, 1.000.000.000 y 1.000.000.001 electrones?
Nuestra solución a este desafío de medición funciona de la siguiente manera (consulten también la Figura 1):
- Usamos interruptores digitales para acoplar ambos extremos del nanocable a un punto cuántico, que es un pequeño dispositivo semiconductor que puede almacenar carga eléctrica.
- Esta conexión aumenta la capacidad del punto para mantener la carga. De manera fundamental, el aumento exacto depende de la paridad del nanocable.
- Medimos este cambio por medio de microondas. La capacidad del punto para mantener la carga determina cómo se reflejan las microondas en el punto cuántico. Como resultado, regresan con una huella del estado cuántico del nanocable.
Hemos diseñado nuestros dispositivos para que estos cambios tengan el suficiente tamaño como para medirlos de forma fiable en una sola toma. Nuestras mediciones iniciales tenían una probabilidad de error del 1 % y hemos identificado caminos claros para reducirla de manera significativa.
Nuestro sistema muestra una estabilidad impresionante. La energía externa, como la radiación electromagnética, puede romper los pares de Cooper, lo que crea electrones desapareados que pueden cambiar el estado del qubit de paridad par a paridad impar. Sin embargo, nuestros resultados muestran que esto es raro, ya que ocurre solo una vez por milisegundo en promedio. Esto indica que el blindaje que envuelve nuestro procesador es eficaz para mantener alejada dicha radiación. Estamos en el proceso de exploración de las formas de reducir esto aún más.
Tal vez no sea sorprendente que la computación cuántica requiera que diseñemos un nuevo estado de la materia diseñado en específico para permitirlo. Lo que es notable es lo precisa que ya es nuestra técnica de lectura, lo que demuestra que aprovechamos este estado exótico de la materia para la computación cuántica.
Revolucionar el control cuántico a través de la precisión digital
Esta técnica de lectura permite un enfoque muy diferente de la computación cuántica en el que se utilizan mediciones para realizar cálculos.
La computación cuántica tradicional rota los estados cuánticos a través de ángulos precisos, lo que requiere señales de control analógicas complejas personalizadas para cada qubit. Esto complica la corrección de errores cuánticos (QEC, por sus siglas en inglés), que debe depender de estas mismas operaciones sensibles para detectar y corregir errores.
Nuestro enfoque basado en mediciones simplifica de manera importante el QEC. Realizamos la corrección de errores por completo a través de mediciones activadas por pulsos digitales simples que conectan y desconectan puntos cuánticos de nanocables. Este control digital hace que sea práctico administrar la gran cantidad de qubits necesarios para las aplicaciones del mundo real.
De la física a la ingeniería
Con los bloques de construcción centrales ahora demostrados (información cuántica codificada en MZM, protegida por topología y procesada a través de mediciones), estamos listos para pasar del avance de la física a la implementación práctica.
El siguiente paso es una arquitectura escalable construida en torno a un dispositivo de un solo qubit llamado tetrón (consulte la Figura 2). En la reunión de la Estación Q, compartimos datos que demuestran el funcionamiento básico de este qubit. Una operación fundamental, medir la paridad de uno de los nanocables topológicos en un tetrón, utiliza la misma técnica descrita en nuestro artículo de Nature.
Otra operación clave coloca el qubit en una superposición de estados de paridad. Esto también se realiza mediante una medición de reflectometría de microondas de un punto cuántico, pero en una configuración de medición diferente en la que desacoplamos el primer punto cuántico del nanocable y conectamos un punto diferente a ambos nanocables en un extremo del dispositivo. Al realizar estas dos mediciones ortogonales de Pauli, Z y X, hemos demostrado un control basado en mediciones, un hito crucial que desbloquea los próximos pasos en nuestra hoja de ruta.
Nuestra hoja de ruta ahora conduce de manera sistemática hacia un QEC escalable. Los próximos pasos involucrarán un conjunto de tetrón 4×2. Primero usaremos un subconjunto de dos qubits para demostrar el entrelazamiento y las transformaciones de trenzado basadas en mediciones. Al utilizar toda la matriz de ocho qubits, implementaremos la detección de errores cuánticos en dos qubits lógicos.
La protección contra errores incorporada de los qubits topológicos simplifica la QEC. Además, nuestros códigos QEC personalizados reducen los gastos generales cerca de diez veces en comparación con el enfoque anterior de última generación. Esta drástica reducción significa que nuestro sistema escalable se puede construir a partir de menos qubits físicos y tiene el potencial de funcionar a una velocidad de reloj más rápida.
El reconocimiento de DARPA a nuestro enfoque
La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA, por sus siglas en inglés) ha seleccionado a Microsoft como una de las dos empresas que avanzarán a la fase final de su riguroso programa de evaluación comparativa conocido como Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing (US2QC), uno de los programas que conforman la Iniciativa de Evaluación Comparativa Cuántica (QBI, por sus siglas en inglés) más grande de DARPA. Microsoft considera que este reconocimiento es una validación de nuestra hoja de ruta para crear un ordenador cuántico tolerante a errores con qubits topológicos.
El programa US2QC de DARPA y su Iniciativa de Benchmarking Cuántico más amplia representan un enfoque riguroso para evaluar sistemas cuánticos que podrían resolver problemas que están más allá de las capacidades de las computadoras clásicas. Hasta la fecha, el programa US2QC ha reunido a expertos de DARPA, el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea, el Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins, el Laboratorio Nacional de Los Álamos, el Laboratorio Nacional de Oak Ridge y el Centro de Investigación Ames de la NASA para verificar el hardware, el software y las aplicaciones cuánticas. En el futuro, se espera que la Iniciativa de Evaluación Comparativa Cuántica más grande involucre a aún más expertos en las pruebas y evaluaciones de computadoras cuánticas.
Antes, DARPA seleccionó a Microsoft para una fase anterior tras una evaluación de que podríamos construir de manera plausible una computadora cuántica a escala de servicios públicos en un período de tiempo razonable. A continuación, DARPA evaluó los diseños arquitectónicos y el plan de ingeniería del equipo cuántico de Microsoft para un ordenador cuántico tolerante a fallos. Como resultado de este cuidadoso análisis, DARPA y Microsoft han firmado un acuerdo para comenzar la fase final del programa. Durante esta fase, Microsoft tiene la intención de construir un prototipo tolerante a fallos basado en qubits topológicos en años, no en décadas, un paso de aceleración crucial hacia la computación cuántica a gran escala.
Desbloquear la promesa de la cuántica
Hace dieciocho meses, trazamos nuestra hoja de ruta hacia una supercomputadora cuántica. Hoy alcanzamos nuestro segundo hito, al demostrar el primer qubit topológico del mundo. Y ya hemos colocado ocho qubits topológicos en un chip diseñado para albergar a un millón.
Una computadora cuántica de un millón de qubits no es solo un hito, es una puerta de entrada para resolver algunos de los problemas más difíciles del mundo. Incluso los superordenadores más potentes de hoy en día no pueden predecir con precisión los procesos cuánticos que determinan las propiedades de los materiales esenciales para nuestro futuro. Pero la computación cuántica a esta escala podría conducir a innovaciones como materiales autorreparables que reparan grietas en puentes, agricultura sostenible y descubrimientos químicos más seguros. Lo que hoy requiere miles de millones de dólares en búsquedas experimentales exhaustivas y experimentos de laboratorio húmedo podría encontrarse, en cambio, a través del cálculo en una computadora cuántica.
Nuestro camino hacia una computación cuántica útil es claro. La tecnología fundamental está probada y creemos que nuestra arquitectura es escalable. Nuestro nuevo acuerdo con DARPA muestra un compromiso con el progreso incesante hacia nuestro objetivo: construir una máquina que pueda impulsar el descubrimiento científico y resolver los problemas que importan. Estén atentos para más actualizaciones sobre nuestro viaje.
Manténganse informados de los avances de Microsoft en computación cuántica:
- Den un vistazo al Dr. Chetan Nayak en el podcast de investigación de Microsoft mientras exploran estos avances innovadores.
- Lean nuestros artículos en Naturey en arXiv.
- Únanse a nosotros para prepararse para la cuántica.
- Lean la historia de Microsoft Source sobre las noticias de hoy.
- Escuchen al equipo cuántico de Microsoft hablar sobre estos hitos: