Un chip rectangular de apenas 7,5 milímetros de largo podría contener una de las ideas más prometedoras para construir las computadoras cuánticas del futuro. En su interior, la información no se conserva mediante cargas eléctricas ni campos electromagnéticos, sino en forma de vibraciones mecánicas microscópicas que se producen a frecuencias imposibles de escuchar para el oído humano.
El dispositivo ha sido desarrollado por un equipo de físicos de ETH Zurich dirigido por Yiwen Chu, profesora de Sistemas Cuánticos Híbridos. Según explica la propia universidad suiza, el prototipo combina por primera vez resonadores mecánicos utilizados como memoria con qubits superconductores capaces de procesar la información almacenada.
La propuesta imita, en cierto modo, la arquitectura de una computadora convencional: existe una unidad encargada de realizar los cálculos y una memoria separada donde los datos permanecen disponibles hasta que vuelven a necesitarse. La diferencia es que todo ocurre bajo las extrañas reglas de la mecánica cuántica.
Una memoria cuántica que funciona como una guitarra microscópica
El principio de funcionamiento puede compararse con las cuerdas de una guitarra. Una misma cuerda es capaz de vibrar de distintas formas y producir sonidos diferentes. En el chip de ETH Zurich sucede algo similar, aunque las oscilaciones se producen a frecuencias de gigahercios y dentro de componentes minúsculos conocidos como resonadores mecánicos.
Cada una de esas formas de vibrar, llamadas modos vibratorios, puede funcionar como una posición independiente de memoria. Los distintos estados que adopta cada modo contienen la información que el sistema necesita almacenar.
“Nuestro chip cuántico contiene pequeños componentes que comienzan a vibrar cuando almacenan información”, explica Yiwen Chu en el comunicado publicado por ETH Zurich. Durante una operación, el qubit superconductivo recupera uno de esos estados vibratorios, lo modifica y posteriormente vuelve a escribir el resultado en la memoria.
No se trata, sin embargo, de vibraciones clásicas similares a las que produce un altavoz. En este régimen, las oscilaciones pueden encontrarse en superposición (ocupando distintas configuraciones simultáneamente) y también entrelazarse entre sí.
La información almacenada se expresa mediante cuantos de vibración conocidos como fonones, el equivalente mecánico de los fotones de la luz. Controlar estos fonones permite utilizar el movimiento físico de un material como soporte de información cuántica.
Separar el procesador de la memoria
Buena parte de las plataformas cuánticas actuales utiliza qubits tanto para almacenar como para procesar información. Aunque esta estrategia simplifica algunos diseños experimentales, también obliga a mantener activos numerosos componentes delicados y aumenta la cantidad de conexiones electrónicas necesarias.
El sistema de ETH Zurich plantea una alternativa más parecida a la organización de un ordenador digital. El qubit superconductivo actúa como una pequeña unidad central de procesamiento, mientras que los resonadores conservan temporalmente los estados cuánticos.
De acuerdo con el estudio publicado en la revista Science, el equipo logró utilizar un único qubit como elemento de control para operar sobre varios modos mecánicos. Esa combinación aprovecha dos cualidades diferentes: la rapidez y la capacidad de control de los circuitos superconductores, junto con la elevada densidad de almacenamiento de los resonadores acústicos.
La idea no consiste necesariamente en eliminar los qubits, sino en reducir la cantidad de ellos que deben mantenerse disponibles al mismo tiempo. Parte de la información podría permanecer almacenada en los modos vibratorios y transferirse al procesador únicamente cuando sea necesario realizar una operación.
En términos informáticos, el dispositivo se aproxima al concepto de una memoria cuántica de acceso aleatorio, o QRAM, en la que diferentes posiciones pueden consultarse y modificarse de forma selectiva.
Más memoria dentro de menos espacio
Una de las principales ventajas de los resonadores mecánicos es su tamaño. El chip presentado por el equipo mide aproximadamente 7,5 milímetros de largo, 2,5 milímetros de ancho y un milímetro de alto, unas dimensiones comparables a las de una uña pequeña.
Las memorias electromagnéticas empleadas habitualmente en circuitos superconductores requieren resonadores relativamente grandes para evitar interferencias y preservar los estados cuánticos. Añadir más memoria implica, por tanto, ampliar físicamente el sistema.
Los resonadores mecánicos pueden albergar numerosos modos dentro de un volumen mucho menor. Investigaciones anteriores del mismo grupo ya habían demostrado que los dispositivos acústicos de ondas de volumen permiten concentrar múltiples modos de alta calidad y conectarlos con qubits superconductores. Según detalla un trabajo publicado en Nature Physics, estos sistemas ofrecen volúmenes reducidos, poca interferencia entre modos y tiempos de coherencia relativamente elevados.
Esa combinación podría ayudar a resolver uno de los problemas más difíciles de la computación cuántica: escalar los prototipos actuales sin llenar los laboratorios de cables, resonadores, sistemas de control y dispositivos de refrigeración.
Cuanto mayor es el número de qubits, más compleja resulta la electrónica necesaria para manejarlos. Una memoria compacta permitiría almacenar varios estados utilizando menos componentes de control, aunque todavía será necesario comprobar si esa ventaja se mantiene al construir dispositivos mucho más grandes.
El chip ya puede ejecutar algoritmos cuánticos
El experimento no se limitó a demostrar que las vibraciones podían guardar información. Los investigadores utilizaron el sistema para ejecutar un conjunto universal de operaciones cuánticas, incluyendo puertas individuales y operaciones controladas entre diferentes modos mecánicos.
También implementaron la Transformada Cuántica de Fourier y un algoritmo de búsqueda de períodos. La primera es una operación fundamental que aparece dentro de numerosos algoritmos cuánticos, incluido el conocido algoritmo de Shor para factorizar números.
Según explica Igor Kladaric, investigador de ETH Zurich y coautor del trabajo, estas pruebas obligan al sistema a controlar, conservar y vincular coherentemente varios estados cuánticos de manera simultánea. El resultado demuestra que la arquitectura puede realizar, al menos en principio, los pasos básicos necesarios para una computación cuántica programable de propósito general.
Eso no significa que el diminuto chip pueda competir todavía con una computadora convencional ni que esté listo para salir del laboratorio. Se trata de una demostración de viabilidad construida para comprobar que el procesador superconductivo y la memoria vibratoria pueden trabajar juntos sin destruir la frágil información cuántica.
El siguiente desafío será aumentar el número de modos accesibles, mejorar la fidelidad de las operaciones y conectar varios módulos sin que aparezcan errores difíciles de corregir. También será necesario integrar sistemas de lectura, control y refrigeración capaces de manejar arquitecturas mucho más complejas.
Aun así, el dispositivo aporta algo más importante que una simple reducción de tamaño. Propone reorganizar la computadora cuántica desde sus cimientos, separando la parte que calcula de la parte que recuerda. Y en esa posible máquina del futuro, la memoria podría no permanecer silenciosa: estaría vibrando sin que nadie pudiera escucharla.
