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La computación cuántica abre la próxima frontera en el poder de cómputo para múltiples sectores que buscan aumentar drásticamente sus procesos y capacidades. Para lograr esto, se deben crear tecnologías qubit masivamente escalables. Además, se deben controlar cantidades crecientes de qubits y los niveles de error deben mantenerse lo más bajos posible para que la medición no se vea afectada.
Oxford Ionics e Infineon Technologies se han asociado para desarrollar unidades de computación cuántica (QPU) completamente integradas. Dentro de los próximos cinco años, la producción comercial de QPU con cientos de qubits será posible gracias a la tecnología Electronic Qubit Control (EQC) desarrollada por Oxford Ionics en combinación con la tecnología Ion Trap de Infineon, así como las capacidades de ingeniería, fabricación y ensamblaje.
El objetivo es transferir tecnologías de computación cuántica desde los laboratorios de investigación a aplicaciones industriales útiles.
tecnología cuántica
Uno de los grandes desafíos en la construcción de computadoras cuánticas es encontrar formas de construir procesadores cuánticos que se puedan hacer completamente integrados y escalables. Por lo general, los qubits con iones atrapados se controlan mediante rayos láser individuales emitidos por un conjunto óptico cuidadosamente alineado. A medida que aumenta la cantidad de qubits, este enfoque rápidamente se vuelve insostenible. La introducción de futuros chips mejorará la escalabilidad de las computadoras cuánticas al alcanzar miles o incluso millones de qubits, reduciendo así la complejidad del procesador cuántico, una de las barreras críticas para lograr la viabilidad de las computadoras cuánticas.
Las computadoras cuánticas de iones atrapados implementan qubits con átomos individuales. Estos átomos de un material dado se ionizan para que tengan una carga neta positiva y, por lo tanto, puedan interactuar a través de la interacción de Coulomb. Esto simplifica la realización de puertas de 2 qubits que pueden facilitar el entrelazamiento de qubits. Los átomos en el hardware están dispuestos en una estructura reticular por medio de campos electromagnéticos que confinan los átomos a una ubicación específica. Las puertas cuánticas se fabrican con radiación láser, que puede cambiar de estado al interactuar con los electrones.
«El mayor desafío es encontrar una manera de controlar los qubits que puedan integrarse completamente a nivel de chip», dijo Chris Balance, cofundador de Oxford Ionics. “Las computadoras cuánticas de iones atrapados funcionan manipulando el estado cuántico de los iones atómicos [the qubits] capturó unas pocas decenas de micrómetros por encima de la superficie de un chip. Tradicionalmente, estos qubits se controlan mediante láseres, que son difíciles de integrar a escala de chip y pueden introducir errores intrínsecos en los cálculos cuánticos. La tecnología de control electrónico de qubits patentada por Oxford Ionics es una forma de controlar los qubits utilizando corrientes electrónicas que fluyen en estructuras integradas en el chip, en lugar de integrar los láseres».
«Desde la perspectiva de Infineon, trabajaremos para integrar ciertos aspectos de la electrónica y la óptica de control mientras administramos la complejidad y mantenemos nuestras propiedades de trampa mejoradas», dijo Stephan Schaecher, director de aplicaciones emergentes y computación cuántica de la división de Tecnologías de sistemas y soluciones de energía de Infineon. «Otros desafíos identificados en los que Infineon ya está trabajando en varios proyectos son permitir puertas más rápidas, mejorar la conectividad dentro y fuera del chip y, en general, mejores arquitecturas de procesador».
Infineon y Oxford Ionics
El gran desafío de la computación cuántica es la escalabilidad y el aumento del rendimiento. Según Oxford Ionics, la tecnología de la empresa puede ofrecer ambas cosas, y trabajar con Infineon y su proceso de semiconductores maduro y flexible acelerará la disponibilidad de una QPU comercial.
Según Ballance, los dispositivos fabricados anteriormente por Infineon y Oxford Ionics están optimizados para desarrollar nuevas capacidades y controlar solo un puñado de qubits.
«Lo que es realmente importante acerca de ellos es que controlan los qubits utilizando componentes electrónicos integrados en los chips en lugar de láseres, lo que abre el camino a una integración a gran escala». En la arquitectura EQC, Oxford Ionics ha demostrado tasas de error de puerta de un solo qubit por debajo del 0,0001 %. [1 ppm]y tasas de error de 2 qubits al nivel del 0,1 % [99.9% fidelity]. El objetivo de Infineon y Oxford Ionics es ofrecer QPU únicas y totalmente integradas dentro de cinco años, ofreciendo cientos de qubits interconectados en un clúster de supercomputación cuántica interconectado”.
A fines de 2022, los primeros dispositivos Oxford Ionics estarán accesibles en la nube, lo que brindará a los usuarios acceso a estas computadoras cuánticas, con el objetivo de expandirse a cientos de qubits en menos de dos años. Usando la tecnología de red cuántica de Oxford Ionics, Infineon y Oxford Ionics esperan proporcionar QPU autónomos y totalmente integrados con cientos de qubits dentro de cinco años. Es responsabilidad de Infineon proporcionar las bases tecnológicas, de fabricación y de ensamblaje para habilitar un número significativo de qubits con bajas tasas de error.
Schaecher señaló uno de los aspectos más desafiantes de la introducción de la tecnología cuántica en la industria: “Para hacer que la computación cuántica sea prácticamente utilizable, se requieren tanto expertos como gerentes que combinen la comprensión de la física con el conocimiento de las aplicaciones y el conocimiento comercial. Por el momento estos son escasos. Es por eso que co-fundamos QUTAC para construir juntos la base de conocimiento necesaria. Como proveedor de tecnología, todavía hay una serie de desafíos técnicos por resolver y, sobre todo, se requiere poder de permanencia. Algo comparable fue quizás el desarrollo de la litografía EUV para la producción de semiconductores, un desarrollo muy largo e intensivo, pero hoy en día es imposible imaginar la producción de chips sin ella».
Según Schaecher, se realizarán ajustes y mejoras en el lado del proceso y del material para mejorar aún más el rendimiento de las propiedades de la trampa. «Infineon utiliza su conocimiento único en el desarrollo y fabricación de tecnologías especializadas como estructuras MEMS 3D o la integración de materiales extraordinarios en la fabricación de semiconductores», concluyó.
