Los investigadores del Instituto Niels Bohr han mejorado significativamente la forma de detectar rápidamente cambios sutiles de estado cuántico dentro de un qubit. Al combinar hardware disponible comercialmente con nuevas técnicas de medición adaptativa, el equipo ahora puede observar cambios rápidos en el comportamiento de los qubits que antes eran imposibles de ver.
Los qubits son las unidades básicas de las computadoras cuánticas, que los científicos esperan que algún día superen a las máquinas más poderosas de la actualidad. Pero los qubits son extremadamente sensibles. Los materiales utilizados para fabricarlos suelen tener pequeños defectos que los científicos aún no comprenden del todo. Estas imperfecciones microscópicas pueden cambiar de posición cientos de veces por segundo. Cuando se mueven, con qué rapidez pierden un qubit de energía y cambian con él valiosa información cuántica.
Hasta hace poco, los procedimientos de prueba estándar tardaban hasta un minuto en medir el rendimiento de los qubits. Fue demasiado lento para capturar estas rápidas fluctuaciones. En cambio, los investigadores sólo pueden determinar una tasa promedio de desintegración de energía, enmascarando el comportamiento verdadero y a menudo inestable del qubit.
Es como pedirle a un poderoso caballo de batalla que tire de un arado cuando los obstáculos siguen apareciendo en su camino más rápido de lo que nadie puede reaccionar. El animal puede ser capaz, pero obstáculos inesperados dificultan la tarea.
Control de Qubit en tiempo real impulsado por FPGA
Un equipo de investigación del Centro de Dispositivos Cuánticos del Instituto Niels Bohr y el Programa de Computación Cuántica de la Fundación Novo Nordisk, dirigido por el investigador postdoctoral Dr. Fabrizio Berita, ha desarrollado un sistema de medición adaptativo en tiempo real que rastrea los cambios en la tasa de decadencia (relajación) de energía del qubit. El proyecto implica la colaboración con científicos de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología, la Universidad de Leiden y la Universidad Chalmers.
El nuevo método se basa en un controlador clásico rápido que actualiza una estimación de la tasa de relajación de un qubit en milisegundos. Coincide con el ritmo natural de las fluctuaciones en lugar de retrasarse segundos o minutos como el método anterior.
Para lograrlo, el equipo utilizó una matriz de puertas programables en campo (FPGA), un tipo de procesador clásico diseñado para un funcionamiento extremadamente rápido. Al ejecutar el experimento directamente en la FPGA, pueden hacer rápidamente una “mejor estimación” de qué tan rápido el qubit está perdiendo energía usando solo unas pocas mediciones. Esto elimina la necesidad de realizar transferencias lentas de datos a una computadora convencional.
Programar FPGA para tareas tan especializadas puede resultar un desafío. Sin embargo, los investigadores lograron actualizar el modelo bayesiano interno del controlador después de cada medición de qubit. Esto permite que el sistema refine continuamente su comprensión del estado del qubit en tiempo real.
Como resultado, el controlador ahora sigue el ritmo del entorno cambiante del qubit. Las mediciones y ajustes se realizan aproximadamente en la misma escala de tiempo, lo que hace que el sistema sea cien veces más rápido de lo demostrado anteriormente.
El trabajo también reveló algo nuevo. Hasta ahora los científicos no sabían con qué rapidez se producen las fluctuaciones en los qubits superconductores. Estos experimentos ahora han proporcionado esa información.
El hardware cuántico comercial cumple con el control avanzado
Los FPGA se han utilizado durante mucho tiempo en otros campos científicos y de ingeniería. En este caso, los investigadores utilizaron un controlador basado en FPGA disponible comercialmente de Quantum Machine llamado OPX1000. El sistema se puede programar en un lenguaje como Python, que muchos físicos ya utilizan, lo que lo hace más accesible para grupos de investigación de todo el mundo.
La integración de este controlador con hardware cuántico avanzado fue posible gracias a la estrecha colaboración entre el profesor asociado Morten Kjergaard y el grupo de investigación del Instituto Niels Bohr dirigido por la Universidad de Chalmers, donde se diseñó y construyó la unidad de procesamiento cuántico. “El controlador permite una integración muy estrecha entre lógica, medición y feedforward: estos elementos hicieron posible nuestros experimentos”, afirma Morten Kjergaard.
Por qué la calibración en tiempo real es importante para las computadoras cuánticas
Las tecnologías cuánticas prometen nuevas y poderosas capacidades, aunque todavía se están desarrollando computadoras cuánticas prácticas a gran escala. El progreso a menudo se produce de forma incremental, pero en ocasiones se producen grandes avances.
Al descubrir estas dinámicas previamente ocultas, los resultados remodelan la forma en que los científicos piensan acerca de probar y calibrar procesadores cuánticos superconductores. Con los materiales y métodos de fabricación actuales, parece esencial avanzar hacia la monitorización y el ajuste en tiempo real para mejorar la fiabilidad. Los hallazgos resaltan la importancia del uso creativo de las tecnologías disponibles, así como de las asociaciones entre la investigación académica y la industria.
“Hoy en día, en las unidades de procesamiento cuántico en general, el rendimiento general no está determinado por los mejores qubits, sino por los peores: en eso es en lo que debemos centrarnos. La sorpresa de nuestro trabajo es que un qubit ‘bueno’ puede convertirse en uno ‘malo’ en una fracción de segundo, en lugar de minutos u horas.
“Con nuestro algoritmo, el hardware de control rápido puede especificar qué qubits son ‘buenos’ o ‘malos’ esencialmente en tiempo real. También podemos recopilar estadísticas útiles sobre qubits ‘malos’ en segundos, en lugar de horas o días.
Fabrizio dice: “Aún no podemos explicar una gran fracción de las fluctuaciones que observamos. Escalar los procesadores cuánticos a un tamaño útil requiere comprender y controlar la física detrás de tales fluctuaciones en las propiedades de los qubits”.
