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

Timothy Holanda, PNNL

Computación cuántica tiene el potencial para manejar problemas complejos a velocidades hiper-rápidas. Lo que hace esto posible es la forma en que explota los qubits, típicamente partículas subatómicas como los electrones, que usan propiedades cuánticas para representar numerosas combinaciones más allá de la 0 o 1 de brocas convencionales. Cuando se entrelazan pares de qubits, pueden cambiar el estado del otro de manera predecible, incluso a distancias muy largas, lo que aumenta aún más la potencia de procesamiento.

Todo esto tiene un costo. Los qubits son muy sensibles incluso a las más mínimas perturbaciones, decayendo y desapareciendo rápidamente en un proceso llamado decoherencia. y de acuerdo a nuevos hallazgos publicados en Nature el miércoles, la radiación cósmica es una de las causas de la decoherencia que podría resultar especialmente problemática.

El nuevo estudio se basa en un tipo de computación cuántica que utiliza materiales superconductores para producir qubits a través de pares de electrones cargados. Los hallazgos indican que la radiación natural producida por los materiales normales que nos rodean, como las estructuras de hormigón, es suficiente para limitar la vida útil de este tipo de estado de qubit a solo unos pocos milisegundos, lo que dificulta la aplicación práctica de una computadora cuántica. La radiación producida 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 bajo tierra. Cualquier lugar expuesto a los rayos cósmicos será un mal lugar para tratar de ejecutar este tipo de procesos.

Cualquier computadora cuántica basada en tecnología qubit superconductora tendrá que lidiar muy explícitamente con 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 cúbits depositando energía en ellos. Se necesita muy poca energía para romper pares de electrones en un superconductor, y estos pares se rompen en electrones libres, lo que puede generar intercambios de energía que pueden destruir el delicado estado del superconductor. Esto hace que los qubits pierdan su estado cuántico y pierdan la coherencia, lo que pone fin a cualquier computación cuántica real.

El equipo, dirigido por Antti Vepsäläinen, investigador de computación cuántica del MIT, expuso qubits superconductores a cobre irradiado y descubrió que los qubits expuestos solo a niveles naturales de radiación se mantuvieron estables durante unos cuatro milisegundos. Esto es en realidad 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 son demasiado cortos para las aplicaciones prácticas de computación cuántica. El estudio enfatiza que incluso si podemos eliminar otras causas de decoherencia, como las vibraciones físicas o los cambios de temperatura, la radiación seguirá dificultando la computación cuántica.

Los hallazgos no son demasiado sorprendentes, dice Shyam Shankar, investigador de computación cuántica de la Universidad de Texas en Austin, que no participó en este estudio. Yo diría que muchas personas esperarían que esto sucediera. Pero no sabíamos exactamente a qué nivel esta radiación afectaría a los qubits. Eso se debe en parte a lo difícil que es realizar estos experimentos. Es bueno ver a otros realmente hacer el experimento y obtener valores reales para este fenómeno, dice.

Ahora es el momento de comenzar a comprender y lidiar con esto, dice VanDevender. Los ingenieros de computación cuántica pueden implementar mecanismos de corrección de errores que pueden ayudar a mitigar estos efectos, pero actualmente son demasiado lentos para ponerse al día con la decoherencia de qubit inducida por radiación.

Dado que los niveles bajos de radiación de los rayos cósmicos impregnan la mayoría de los lugares de la superficie del planeta, las mejores formas de mitigar la interferencia de la radiación podrían ser las más sencillas: proteger los dispositivos qubit de la radiación (mediante el uso de materiales como el plomo) o construirlos bajo tierra. VanDevender cree que probablemente haya un término medio ideal que requerirá un blindaje modesto y ubicaciones subterráneas poco profundas. En otras palabras, si está construyendo una computadora cuántica, colóquela en un sótano. Los futuros ingenieros también podrían considerar el desarrollo de qubits que de alguna manera sean menos sensibles a la radiación.

Si bien no son buenas noticias para la computación cuántica, podría haber un lado positivo en esta investigación. Resulta que los qubits o algo parecido son fantásticos detectores de radiación, dice VanDevender. Existe la esperanza de mejorar la sensibilidad en la búsqueda de materia oscura o experimentos que puedan revelar algunas fallas buscadas durante mucho tiempo en nuestro modelo estándar de física de partículas.

Corrección 23/08/20: esta historia inicialmente hizo referencias a sistemas de computación cuántica basados ​​en el espacio que eran inexactos. Hemos eliminado estas referencias.

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