Las puertas lógicas cuánticas más rápidas usando cúbits con iones atrapados

Dibujo20180303 Theoretical and experimental two-qubit gate errors nature25737Los iones atrapados son una de las tecnologías cuánticas más prometedoras. Su estado actual lo ilustra un artículo publicado en Nature que presenta puertas lógicas cuánticas con dos cúbits implementados con iones de calcio que conmutan a un ritmo de 0,48 μs; pero solo tienen una fidelidad superior al 99,8% durante 1,6 μs. Todo un récord que nos recuerda lo lejos que están los futuros ordenadores cuánticos de iones atrapados con millones de cúbits capaces de realizar millones de operaciones durante unos segundos.

Los cúbits de iones atrapados suelen trabajar en régimen adiabático, a velocidades mucho más lentas que las frecuencias de movimiento características de los iones en la trampa. En dicho régimen la velocidad de conmutación máxima para las puertas lógicas ronda los kHz. Este nuevo trabajo logra alcanzar los MHz usando la estructura hiperfina con iones de calcio-43. Quizás no parezca sorprendente, pero es unos cien millones de veces más rápido que lo logrado hasta ahora con dichos iones.

El artículo es V. M. Schäfer, C. J. Ballance, …, D. M. Lucas, “Fast quantum logic gates with trapped-ion qubits,” Nature 555: 75–78 (01 Mar 2018), doi: 10.1038/nature25737.

Dibujo20180303 Qubit states and Raman beam geometry nature25737-f1

El entrelazamiento controlado de dos cúbits implementados con iones atrapados se logró en 1998 (una tecnología cuántica cuyos padres son Cirac y Zoller). La primera implementación de puertas lógicas con dos de estos cúbits se publicó en Nature en 2003. Hoy en día las puertas con dos cúbits alcanzan tasas de error εg ≈ 0,1% similares a las logradas con puertas de un solo cúbit. Estas tasas de error permiten la aplicación de algoritmos cuánticos de corrección de errores necesarios para lograr una computación tolerante a fallos.

Para cúbits implementados con tecnologías de estado sólido, como los cúbits superconductores, se alcanza una velocidad de conmutación de 50 ns; aunque sus tiempos de coherencia son cortos. Para cúbits implementados con iones atrapados hasta ahora se alcanzaba una velocidad de conmutación de unos 100 μs cuando sus tiempos de coherencia alcanzan un minuto. El límite en el régimen adiabático es el movimiento secular del ión atrapado, asociado a frecuencias del orden de 1 MHz, por lo que la velocidad de conmutación no puede ser inferior (en dicho régimen) a un microsegundo y con altas tasas de error (εg=3% para tg=5.3μs)

El nuevo esquema muestra altas velocidades de conmutación (1,6 μs) para puertas de dos cúbits con una tasa de error muy baja (fidelidad del 99,8%). En la conmutación más rápida (480 ns) la tasa de fidelidad baja mucho (60%), lo que por ahora impide su uso en el procesado práctico de información cuántica (aunque podría tener aplicaciones en otras áreas tecnológicas, como la espectroscopia por lógica cuántica).

En mi opinión, lo más importante del nuevo esquema es que supera la barrera adiabática, lo que dará pie a grandes mejoras en los próximos años. Seguro que habrá mucho trabajo en esta línea, máxime cuando por su escalabilidad potencial la tecnología de iones atrapados está entre las más prometedoras. Aún así, solo el futuro indicará cómo se progresa más allá del desarrollo de puertas lógicas de dos cúbits ultrarrápidas con cúbits atrapados.


9 Comentarios

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Liscano NatanaelLiscano Natanael

En 0,48 μs ya yo me he bañaño, cepillado, leido el periodico y resuelto analiticamente el problema de los tres cuerpos!!!
Yo me esperaba algo como “conmutan a un ritmo de 0.00000001 yocto-segundos”.
Esto deja claro que la intuición no sirve para nada!!!

Alvaro VerdionAlvaro Verdion

En la computacion convencional, las puertas lógicas están en torno a los 400 Mhz.

JuanJuan

Hola Francis,
¿Qué piensas de los cursos online de computación cuántica del MIT?
Los hay gratis y otra de pago.
¿Esos títulos sirven para algo?
¿Para alguien que ha estudiado físicas (y asignaturas como mecánica cuántica, teoría cuántica de campos, electrónica y aparte más electrónica y programación y trabaja como analista de datos) piensas que estos cursos pueden servir par encontrar trabajo en el mundillo de la computación cuántica?. ¿O si no has hecho un doctorado especializado en eso esta jodida la cosa?

Francisco R. Villatoro

Juan, supongo que te refieres a los MIT Open Courseware; son similares a los cursos de Coursera y otras plataformas. No hay empresas que usen ordenadores cuánticos, así que no hay un mercado laboral en el área. Saber computación cuántica no te permitirá obtener un trabajo que no permita obtener ser Graduado en Física, a secas. Quizás tengan algún valor para trabajar en un grupo de investigación en computación cuántica, pero pregúntales primero a ellos. En general dichos cursos son para tener una idea general y su valor mercantil es muy limitado (por ahora y hasta donde yo sé).

JuanJuan

¿De momento a qué tecnología le ves más posibilidades de ser usada en computación cuántica? Superconductores, iones atrapados, optical lattice, quantum dot, NMR…

Y otra pregunta, de los entornos de desarrollo y simuladores de computadores cuánticos, cuál es el más avanzado o completo?

Microsoft Quantum Development Kit, Microsoft LIQUi>, IBM Quantum Experience, Quantum Computing Playground (Google), otros?

Es que me gustaría practicar con alguno de ellos. Que sirva para implementar algoritmos y simular cosas.

Francisco R. Villatoro

Juan, no soy experto, así que mi opinión tiene poco valor. En cualquier caso, faltan muchas décadas para que haya una respuesta en firme a tu primera pregunta.

Todos los entornos que mencionas son similares. No se puede decir cuál es el más avanzado (es como preguntarse por cuál es el más avanzado entre los lenguajes de programación C++, C# y Java). Todos ellos sirven para lo que quieres y la curva de aprendizaje (hasta donde sé) es muy similar.

JuanJuan

Hola.
¿Y piensas que merece la pena aprenderlos para encontrar trabajo, al menos fuera de España o sólo serviría como hobby?

JuanJuan

Tras acabar la carrera de físicas necesitaba trabajar y no hice doctorados ni estudié más. Años después la vida da muchas vueltas y estoy haciendo uno, acabándolo, pero no es de física sino de bioestadística y big data. Me enteré de que abrían un nuevo departamento en una universidad española y envié el curriculum. Aunque no me lo esperaba me seleccionaron a mí, superé varias entrevistas, les gustó mi experiencia como analista de datos y supongo que gente mucho más formada no aceptaría el puesto por un sueldo de becario,
pero echo de menos la física, que es lo que realmente me gusta.

Ahora no tendría fuerzas para volver a empezar otro doctorado, a no ser que pudiera hacerlo como postdoc o de algún otro modo, aunque sí me gustaría. Y mi idea era volver a mi ciudad de origen, Valencia, para estar cerca de mi familia y de mi novia, que estás muy mayores.

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