Investigadores del MIT han desarrollado una técnica para medir correcciones armónicas de segundo orden en circuitos cuánticos, mejorando su fiabilidad y reduciendo errores en computaciones. Esto es crucial para el avance de la computación cuántica.
Los ordenadores cuánticos tienen el potencial de resolver problemas complejos que superan las capacidades de los ordenadores clásicos, como la modelización de interacciones moleculares para optimizar el descubrimiento de fármacos y el desarrollo de nuevos materiales. Sin embargo, para construir un ordenador cuántico superconductivo que sea lo suficientemente grande y robusto para aplicaciones del mundo real, es esencial que los científicos diseñen miles de circuitos cuánticos con una tasa de error mínima en sus operaciones.
Con el fin de ayudar a los investigadores a crear circuitos más predecibles, un equipo de científicos del MIT y del Lincoln Laboratory ha desarrollado una técnica que mide una propiedad capaz de causar desviaciones inesperadas en el comportamiento de un circuito cuántico superconductivo. Este análisis ha permitido identificar la fuente de estas distorsiones, conocidas como correcciones armónicas de segundo orden, que afectan negativamente a la arquitectura del circuito.
Los investigadores han fabricado un dispositivo destinado a detectar estas correcciones armónicas, identificar su origen y medir con precisión su intensidad. Esta técnica podría facilitar el diseño deliberado de circuitos cuánticos capaces de contrarrestar los efectos adversos provocados por dichas desviaciones. Esto resulta especialmente crucial en circuitos cuánticos más grandes y complejos, donde las correcciones armónicas pueden amplificarse significativamente.
Max Hays, científico investigador en el grupo Engineering Quantum Systems (EQuS) del Research Laboratory of Electronics (RLE) y coautor principal del estudio publicado en Nature Physics, destaca la importancia de identificar y medir estos efectos a medida que se amplían los ordenadores cuánticos. “Es fundamental seguir investigando en los circuitos para descubrir efectos inesperados que influyan en el rendimiento del dispositivo”, afirma Hays.
En un ordenador cuántico basado en circuitos superconductores, los elementos críticos son las uniones Josephson, que permiten la transferencia y manipulación de información mediante pares de electrones conocidos como pares Cooper. Estos pares pueden "túnel" a través de barreras nanométricas entre dos hilos superconductores, lo que es esencial para la computación cuántica.
No obstante, cuando dos pares Cooper logran atravesar la barrera simultáneamente —un fenómeno denominado corrección armónica de segundo orden— se limita el rendimiento del circuito diseñado para permitir solo túneles individuales. “Si dos pares Cooper atraviesan al mismo tiempo, las suposiciones iniciales sobre las que se construyó el circuito ya no son válidas”, explica Junghyun Kim, coautor del estudio y estudiante graduado en ingeniería eléctrica e informática (EECS).
Para abordar este problema, los investigadores han creado un circuito extremadamente sensible a estos efectos. Su diseño permite suprimir el proceso de túnel individual mientras facilita el túnel doble, lo que les permite detectar y medir con precisión la intensidad de las correcciones armónicas.
A través de esta investigación, también se busca identificar las fuentes específicas detrás de estas correcciones armónicas. Los hallazgos sugieren que una combinación entre dinámicas intrínsecas del propio dispositivo y la inductancia adicional generada por los cables conectados puede ser responsable. Conocer estos orígenes permitirá a los científicos anticipar su intensidad y diseñar circuitos más predecibles y eficientes.
De cara al futuro, los investigadores planean realizar experimentos adicionales para prever cómo un dispositivo responderá ante estas correcciones armónicas. Además, desean explorar otras posibles fuentes que puedan afectar negativamente a los circuitos bajo diferentes condiciones de fabricación. Este trabajo cuenta con financiación parcial del Departamento de Energía de EE.UU., así como otras instituciones académicas y gubernamentales.
Las correcciones armónicas de segundo orden son fenómenos que pueden causar que los circuitos cuánticos superconductores se comporten de manera inesperada, limitando su rendimiento. Estas correcciones ocurren cuando pares de Cooper, que normalmente deben tunneling uno a la vez, logran hacerlo simultáneamente, lo que afecta la precisión del circuito.
La técnica permite medir la fuerza y el origen de las correcciones armónicas de segundo orden en los circuitos cuánticos. Esto es crucial para diseñar circuitos más predecibles y eficientes, ya que conocer la fuente de estas distorsiones ayuda a los científicos a corregirlas y mejorar el rendimiento del circuito.
Mejorar la fiabilidad de los circuitos cuánticos es fundamental para avanzar hacia computadoras cuánticas más grandes y robustas que puedan resolver problemas complejos en áreas como el descubrimiento de fármacos y el desarrollo de materiales. La investigación proporciona herramientas para diseñar circuitos que minimicen errores, lo cual es esencial para aplicaciones del mundo real.