Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) en Estados Unidos están trabajando en el desarrollo de computadoras cuánticas de próxima generación mediante un enfoque que integra todos los componentes necesarios para hacer funcionar estos sistemas, desde el hardware hasta el software y los controles de precisión.

"Hacer una computadora cuántica funcional requiere mucho más que qubits solamente. Se necesita una pila tecnológica completa que pueda aprovechar la ciencia cuántica para aplicaciones del mundo real", dijo Chris Spitzer, líder de operaciones del Banco de Pruebas Cuántico Avanzado (AQT), según informó el laboratorio.

La "pila" o stack de computación cuántica consta de tres componentes principales, según explicó Spitzer. En la base se encuentra la unidad de procesamiento cuántico superconductora (QPU) que contiene los qubits que almacenan y manipulan información cuántica. Sobre la QPU está la etapa fría del refrigerador de dilución, que mantiene el procesador por debajo de 20 milikelvin, aproximadamente 0.02 grados sobre el cero absoluto, más frío que el espacio exterior. Este enfriamiento extremo previene interacciones no deseadas con el ambiente y mantiene el estado superconductor necesario para preservar la información cuántica.

El tercer elemento es el rack de electrónica de control, cuyo papel es enviar pulsos de microondas altamente precisos y sincronizados a través de los cables que conducen al refrigerador de dilución. Estos pulsos controlan los qubits y realizan el "gating", permitiendo que los qubits interactúen de las formas exactas requeridas para cada cálculo cuántico. En el AQT, este proceso se gestiona mediante QubiC, un sistema de control de qubits superconductores de código abierto desarrollado por investigadores de la División de Tecnología de Aceleradores y Física Aplicada (ATAP) del Berkeley Lab, según la fuente.

El enfoque holístico es fundamental porque cualquier parte de la pila podría limitar el rendimiento de la computadora cuántica, según Spitzer. "Por ejemplo, en AQT, mucho trabajo se dedica a operar procesadores con la mayor coherencia, lo que significa que la información cuántica almacenada en los procesadores es estable durante el mayor tiempo posible. Pero un procesador cuántico no sirve de nada si no puedes entregar señales de microondas prístinas", explicó.

El cableado también representa un desafío importante para la escalabilidad. Actualmente existe uno o más cables por qubit en el procesador, lo que funciona bien con unas pocas docenas de qubits pero no cuando se superan los pocos miles. "Todos esos cables no cabrían en el refrigerador de dilución. Descubrir nuevos tipos de tecnología de cableado de bajo ruido que puedan optimizar la coherencia o la vida útil de la información cuántica es un área activa de investigación", dijo Spitzer.

Las computadoras cuánticas de primera generación actuales son de escala intermedia, con unas pocas docenas a unos pocos cientos de qubits, según el laboratorio. "Podemos ejecutar programas interesantes, pero no es lo suficientemente grande como para hacer un cálculo que realmente desafíe el poder de una supercomputadora", señaló Spitzer.

En Berkeley Lab están contribuyendo a la base para la segunda generación de estas tecnologías: sistemas cuánticos de gran escala con corrección de errores. Para hacer esto realidad, se necesitarán sistemas con miles de qubits, si no muchas veces más grandes que eso, según la fuente.

Estos sistemas de mayor escala necesitarán una pila completa construida a su alrededor para corregir errores a medida que surjan en los procesadores cuánticos. Para detectar y corregir esos errores cuando aparecen en el procesador, se necesita mucha computación clásica. "Descubrir cuál fue el error y qué necesitas hacer como paso correctivo es una tarea muy intensiva computacionalmente", explicó Spitzer.

Las computadoras cuánticas de próxima generación también incluirán inteligencia artificial y aprendizaje automático en el circuito. El equipo de ATAP está desarrollando QubiCML, una lectura asistida por IA para computadoras cuánticas que permitiría hacer cosas como corrección de errores cuánticos o algoritmos híbridos más avanzados, según el laboratorio.

En el AQT, gran parte del trabajo se centra en usar sistemas cuánticos de primera generación para entender la física de los procesadores cuánticos y cómo construir sistemas robustos contra el ruido. Resolver este problema permitirá desarrollar computadoras cuánticas de gran escala con corrección de errores que examinarán simulaciones de interacciones de partículas, física de alta energía, materia condensada, nuevos materiales y química cuántica, según Spitzer.

El Berkeley Lab es central en estos esfuerzos porque tiene investigación extensa en todas estas áreas diferentes, según la fuente. En programas como el AQT, están trabajando en construir procesadores con aumentos de rendimiento de aproximadamente 1,000 veces en comparación con los procesadores actuales.

Además de los grandes programas cuánticos, los investigadores pueden aprovechar expertos de clase mundial e instrumentos especializados en la Fundición Molecular y la Fuente de Luz Avanzada para estudiar los materiales usados en procesadores cuánticos. También cuentan con el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC), cuyas supercomputadoras son críticas para simular procesadores cuánticos con rendimiento óptimo, e investigadores en la División ATAP con profunda experiencia en electrónica de control e instrumentación.

"Una de las cosas que podemos hacer en un entorno de laboratorio nacional es buscar las mejores soluciones a través de una gama de tecnologías que nos llevarán al siguiente nivel, y luego realmente construir y operar esos sistemas a escala de grandes prototipos para que podamos observar directamente cómo funcionan y descubrir qué necesitamos hacer para mejorarlos", concluyó Spitzer.

El Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley es un laboratorio nacional multiprograma gestionado por la Universidad de California para la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de Estados Unidos. La Fuente de Luz Avanzada, la Fundición Molecular y NERSC son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en Berkeley Lab.