Los rayos cósmicos amenazan con obstaculizar la computación cuántica

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Misterios y conspiraciones

   La promesa de la computación cuántica depende de la integridad del bit cuántico o qubit. Científicos estadounidenses han descubierto que el rendimiento de un qubit pronto chocará contra una pared.

   En un artículo publicado en Nature, un equipo del MIT y el Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) informa que la radiación de fondo de bajo nivel, por lo demás inofensiva, que emiten los oligoelementos en las paredes de hormigón y los rayos cósmicos entrantes son suficientes para causar decoherencia en los qubits. Descubrieron que este efecto, si no se mitiga, limitará el rendimiento de los qubits a solo unos pocos milisegundos.

   Dada la velocidad a la que los científicos han mejorado los qubits, es posible que choquen con esta pared inducida por la radiación en solo unos pocos años. Para superar esta barrera, los científicos tendrán que encontrar formas de proteger los qubits –y cualquier computadora cuántica práctica– de la radiación de bajo nivel, tal vez construyendo computadoras bajo tierra o diseñando qubits que sean tolerantes a los efectos de la radiación.

   «Estos mecanismos de decoherencia son como una cebolla, y hemos estado pelando las capas durante los últimos 20 años, pero hay otra capa que no ha cesado y que nos va a limitar en un par de años, que es la radiación ambiental«, dice en un comunicado William Oliver, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática y miembro del laboratorio Lincoln del MIT. «Este es un resultado emocionante, porque nos motiva a pensar en otras formas de diseñar qubits para solucionar este problema».

   En su investigación, el equipo primero tuvo que diseñar un experimento para calibrar el impacto de los niveles conocidos de radiación en el rendimiento de los qubit superconductores. Para hacer esto, necesitaban una fuente radioactiva conocida, una que se volviera menos radioactiva lo suficientemente lento como para evaluar el impacto a niveles de radiación esencialmente constantes, pero lo suficientemente rápido como para evaluar un rango de niveles de radiación en unas pocas semanas, hasta el nivel de radiación de fondo.

   El grupo optó por irradiar una lámina de cobre de alta pureza. Cuando se expone a un alto flujo de neutrones, el cobre produce copiosas cantidades de cobre-64, un isótopo inestable con exactamente las propiedades deseadas.

   Luego colocaron uno de los discos junto a los qubits superconductores en un refrigerador de dilución en el laboratorio de Oliver en el campus. A temperaturas unas 200 veces más frías que las del espacio exterior, midieron el impacto de la radiactividad del cobre en la coherencia de los qubits mientras que la radiactividad disminuía, hasta los niveles ambientales de fondo.

   La radiactividad del segundo disco se midió a temperatura ambiente como un indicador de los niveles que alcanzaban el qubit. A través de estas mediciones y simulaciones relacionadas, el equipo comprendió la relación entre los niveles de radiación y el rendimiento de los qubits, una que podría usarse para inferir el efecto de la radiación ambiental natural. Con base en estas mediciones, el tiempo de coherencia de los qubits se limitaría a aproximadamente 4 milisegundos.

   Luego, el equipo eliminó la fuente radiactiva y procedió a demostrar que proteger a los qubits de la radiación ambiental mejora el tiempo de coherencia. Para hacer esto, los investigadores construyeron una pared de 2 toneladas de ladrillos de plomo que se podían subir y bajar en un elevador de tijera, para proteger o exponer el refrigerador a la radiación circundante. «Construimos un pequeño castillo alrededor de esta nevera», dice Oliver.

   Cada 10 minutos, y durante varias semanas, los estudiantes en el laboratorio de Oliver alternaban presionando un botón para levantar o bajar la pared, mientras un detector medía la integridad de los qubits, o «tasa de relajación», una medida de cómo la radiación ambiental impacta en el qubit, con y sin escudo. Al comparar los dos resultados, extrajeron efectivamente el impacto atribuido a la radiación ambiental, confirmando la predicción de 4 milisegundos y demostrando que el blindaje mejoró el rendimiento del qubit.

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