La investigación actual en computación cuántica sería imposible sin un equipamiento de prueba y medición de RF de alta precisión

Max Werninghaus, Walther-Meißner-Institute

Para resolver problemas complejos, la computación cuántica explota las propiedades cuánticas naturales. Al igual que con los bits convencionales, los estados lógicos se representan y se procesan mediante bits cuánticos (qubit). Mientras que un bit convencional es binario, un qubit puede existir de manera simultánea en combinaciones de dos estados.

Este fenómeno se conoce como superposición y no puede explicarse con las leyes de la física clásica. La superposición es una propiedad mecánica puramente cuántica y es la base para el enorme potencial computacional de las computadoras cuánticas.

Qubits superconductores

Las investigaciones actualmente se centran en la implementación técnica de los qubits. Un campo prometedor es el de los qubits superconductores, que utilizan circuitos eléctricos para almacenar campos electromagnéticos con una vida media muy larga gracias a su superconductividad libre de pérdidas. Un circuito resonante se diseña para producir de manera eficaz un sistema de dos estados que se pueda controlar. La frecuencia de resonancia para este tipo de circuitos suele estar en el rango de las microondas a 5 GHz. El estado base del circuito resonante es el estado lógico cero, mientras que el primer estado excitado es el estado lógico uno.

El control sistemático de estos dos estados aún no es posible sin estructuras adicionales. En osciladores armónicos, como los circuitos resonantes LC, el espacio entre dos estados de energía adyacentes es siempre igual (armonía). Un efecto colateral es el desplazamiento incontrolado de una señal de microondas resonante en un circuito, ya sea del estado base al primer estado excitado o de un estado excitado arbitrario al siguiente estado superior. Las inductancias no lineales pueden anular la armonía. Las uniones de Josephson pueden ayudar a crear dos estados de energías distintos que pueden utilizarse como un qubit controlable. Proporcionan la transición del estado base al primer estado base ..excitado una frecuencia característica que es única para esta transición. A los qubits superconductores también se les conoce como átomos artificiales, debido a que su propiedad imita las transiciones del electrón atómico.

Un estado cuántico es extremadamente frágil. La temperatura de funcionamiento para un qubit superconductor es de aproximadamente 10 millikelvin o de unos –273 °C, que está muy cerca del cero absoluto. Esta es la única manera de mantener el ruido fondo térmico

Control de los estados cuánticos con señales de microondas

El estado energético de un qubit puede controlarse con señales de microondas externas. Una esfera de Bloch ilustra este proceso (figura, derecha). Los estados lógicos de uno y cero se localizan en los polos norte y sur de la esfera de Bloch. Cualquier otro punto en la superficie de la esfera corresponde a un estado de superposición. El estado actual se indica mediante el llamado vector de estado. La interacción con una señal de microondas resonante ocasiona la rotación del vector de estado en la esfera de Bloch.

Para realizar operaciones computacionales fiables con qubits, esta rotación necesita controlarse con gran precisión en función de la longitud de impulso, la amplitud de la señal de microondas y el envolvente del impulso de control. La llamada fase relativa del impulso de control influye en el eje de rotación del estado del qubit en la esfera de Bloch. Al aplicar impulsos con la misma fase al qubit, el estado siempre rota sobre, por ejemplo, el eje x. Si un impulso se desfasa 90°, el vector estado rotará sobre el eje y.

Requerimientos de la fuente de señales

Los generadores de formas de ondas arbitrarias son fuentes de señales de control fiables y flexibles. Junto con fuentes y mezcladores de microondas pueden generarse los impulsos correctos a la frecuencia de qubit correcta. Al regular con precisión, tanto la fase del impulso de control en tiempo real, como el control exacto de las envolventes, puede alcanzarse cualquier punto del objetivo deseado en una esfera de Bloch en cualquier momento desde cualquier punto de partida.

A diferencia de las operaciones computacionales convencionales con una elevada tolerancia a errores, las computadoras cuánticas apuestan por una calibración precisa de los impulsos de control. Incluso las más pequeñas desviaciones en la rotación (sobre la rotación del estado cuántico en un 1 %) pueden alterar la operación cuántica resultante. Errores similares se producen con un control de fase inexacto. Los instrumentos de control para computadoras cuánticas deben, por lo tanto, tener una elevada estabilidad de fase y amplitud. Las fases de impulso de control se regulan mediante los componentes en fase y en cuadratura del impulso almacenados en el generador de formas de ondas arbitrario.

Los algoritmos cuánticos y los experimentos con computadoras cuánticas son complejos. Ambos requieren la salida de un gran número de impulsos de señal en múltiples canales con estabilidad de fase y sincronización de tiempo relevantes. Esto a menudo conduce a largos tiempo de espera durante la iniciación del hardware de control convencional y puede en última instancia limitar la complejidad de los elementos planificados. Diversos fabricantes de generadores de microondas junto con científicos de computación cuántica recientemente han empezado a desarrollar instrumentos especiales.

Estos instrumentos pueden hacer mucho más que los generadores de formas de ondas arbitrarias, además de satisfacer algunos de los requerimientos especiales de investigación en este campo. Las fases de impulso pueden gestionarse de manera directa en el instrumento con las matrices de puertas programable in-situ (FPGA), lo que reduce de manera drástica el espacio de almacenamiento requerido. E incluso complejos algoritmos cuánticos que implican miles de operaciones pueden reducirse a un conjunto manejable de operaciones fundamentales. No es necesario almacenar una señal continua en el generador de formas de ondas arbitrarias para cada algoritmo cuántico. Es suficiente un conjunto de operaciones fundamentales junto con información sobre la secuencia de salida. Generadores de formas de ondas arbitrarias especializados para la investigación de la computadora cuántica ya admiten tales funciones.

Análisis de señales para seleccionar los estados cuánticos

Una vez que una computadora cuántica ejecuta una operación, se seleccionan los estados cuánticos de los qubits y estos se acoplan a los resonadores de lectura. Debido a la interacción con el qubit, la frecuencia de resonancia del resonador se desplaza en función del estado del qubit (figura). Al estimularlo con una señal de lectura cercana a la frecuencia de resonancia, es posible deducir el estado del qubit en función del desplazamiento, tanto en la amplitud, como en la fase de la señal en la transmisión o reflexión.

Los avances actuales de la tecnología cuántica permiten el funcionamiento eficaz de la electrónica de control y el hardware cuántico pertinentes. Al integrar de manera directa las funciones de análisis de señales en los instrumentos, pueden observarse en tiempo real los resultados del algoritmo cuántico. Los generadores inteligentes de formas de ondas arbitrarias simplifican el trabajo con computadoras cuánticas de la misma manera que los ensambladores se han utilizado por mucho tiempo en la programación de computadoras y máquinas. Uno de los principales desafíos aquí es la sincronización y coordinación de cientos de señales que son necesarias para operar grandes computadoras cuánticas.