Los rayos cósmicos podrían plantear un problema para las futuras computadoras cuánticas



La Computación Cuántica tiene el potencial de resolver problemas complejos a velocidades ultrarrápidas. Lo que hace que esto sea posible es la forma en que los qubits, típicamente partículas subatómicas como los electrones, se utilizan que utilizan propiedades cuánticas para representar numerosas combinaciones que son más convencionales que el 0 o 1 Los bits se apagan. Cuando los pares de qubit están "enredados", pueden cambiar el estado del otro de manera predecible, incluso en distancias muy grandes, lo que mejora aún más la potencia de procesamiento.

Todo esto tiene un costo. Los qubits son muy sensibles a las perturbaciones más pequeñas, se descomponen rápidamente y desaparecen en un proceso conocido como decoherencia. Y según una nueva evidencia publicada en Nature el miércoles, los rayos cósmicos son una causa de decoherencia que podría resultar particularmente problemática.

El nuevo estudio se basa en una especie de computadora cuántica en la que se utilizan materiales superconductores para generar qubits a través de pares de electrones cargados. Los resultados muestran que la radiación natural generada por los materiales normales que nos rodean, como las estructuras de hormigón, es suficiente para limitar la vida útil de este tipo de estado qubit a unos pocos milisegundos, lo que afecta el uso práctico de una computadora cuántica. La radiación generada por los rayos cósmicos tendría un efecto aún mayor.


Este es un problema porque afecta básicamente a cualquier sistema de este tipo que no esté rodeado de plomo o almacenado a gran profundidad. Cualquier lugar expuesto a los rayos cósmicos es un mal lugar para realizar tales procesos. Puede olvidarse de intentar establecer una comunicación cuántica que valga la pena a través de satélites en cualquier entorno práctico (hola China).

“Cada computadora cuántica basada en tecnología de qubit superconductores tiene que tratar de manera muy explícita los efectos de la radiación”, dice el coautor del estudio Brent VanDevender del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico en Richland, Washington.

La radiación daña los qubits al depositar energía en ellos. Romper pares de electrones en un superconductor requiere muy poca energía. Estos pares se descomponen en electrones libres, lo que posiblemente lleve a un intercambio de energía que puede destruir el estado sensible del superconductor. Esto hace que los qubits pierdan su estado cuántico y se descodifiquen, poniendo fin a cualquier computación cuántica real.


El equipo, dirigido por Antti Vepsäläinen, un investigador de computación cuántica del MIT, expuso qubits superconductores al cobre irradiado y descubrió que los qubits solo estaban expuestos a la luz natural. Los valores de radiación se mantuvieron estables durante unos cuatro milisegundos. En realidad, esto es más largo de lo que vemos ahora en promedio en los experimentos de computación cuántica (alrededor de 0,1 milisegundos de estabilidad), pero incluso unos pocos milisegundos siguen siendo demasiado cortos para aplicaciones prácticas de computación cuántica. El estudio enfatiza que incluso si podemos eliminar otras causas de decoherencia, como vibraciones físicas o cambios de temperatura, la radiación aún dificulta la computación cuántica.

Los resultados "no son demasiado sorprendentes", dice Shyam Shankar, investigador de computadoras cuánticas de la Universidad de Texas en Austin que no participó en este estudio. "Yo diría que mucha gente lo esperaría. Sin embargo, no sabíamos realmente a qué nivel afectaría esta radiación a los qubits". Parte de esto se debe a lo difícil que es realmente realizar estos experimentos. "Es bueno ver cómo otros realmente hacen el experimento y obtienen valores reales para este fenómeno", dice.

"Ahora es el momento de entender y lidiar con esto", dice VanDevender. Los ingenieros de computación cuántica pueden emplear mecanismos de corrección de errores que pueden mitigar estos efectos. Sin embargo, actualmente son demasiado lentos para ponerse al día con la decoherencia de qubit inducida por radiación.

Los planos de rayos cósmicos en órbita significan que la computación cuántica basada en el espacio es casi con certeza el enfoque equivocado. La mejor manera de mitigar la interferencia de radiación puede ser la más simple: proteger los dispositivos qubit de la radiación (utilizando materiales como el plomo) o construirlos bajo tierra. VanDevender cree que es probable que exista un término medio ideal que requiera un blindaje modesto y ubicaciones subterráneas poco profundas. En otras palabras, "cuando construyas una computadora cuántica, colócala en un sótano". Los futuros ingenieros también podrían considerar desarrollar qubits que sean menos sensibles a la radiación.

Si bien esta no es una buena noticia para la computación cuántica, especialmente en el espacio, esta investigación podría tener un lado positivo. “Resulta que los qubits o algo así son fantásticos detectores de radiación”, dice VanDevender. "La esperanza es mejorar la sensibilidad en la búsqueda de materia oscura o en experimentos que puedan revelar algunos defectos largamente esperados en nuestro modelo estándar de física de partículas".


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