Aluminio

Característica del 10 de marzo de 2023

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por Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Los procesadores cuánticos son sistemas informáticos que procesan información y realizan cálculos mediante la explotación de fenómenos mecánicos cuánticos. Estos sistemas podrían superar significativamente a los procesadores convencionales en ciertas tareas, tanto en términos de velocidad como de capacidades computacionales.

Si bien los ingenieros han desarrollado varios sistemas de computación cuántica prometedores durante la última década, escalar estos sistemas y garantizar que se puedan implementar a gran escala sigue siendo un desafío continuo. Una estrategia propuesta para aumentar la escalabilidad de los procesadores cuánticos implica la creación de sistemas modulares que contengan múltiples módulos cuánticos más pequeños, que pueden calibrarse individualmente y luego organizarse en una arquitectura más grande. Esto, sin embargo, requeriría interconexiones adecuadas y efectivas (es decir, dispositivos para conectar estos módulos más pequeños).

Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur, la Academia Cuántica Internacional y otros institutos en China han desarrollado recientemente interconexiones de baja pérdida para vincular los módulos individuales en procesadores cuánticos superconductores modulares. Estas interconexiones, presentadas en Nature Electronics, se basan en cables de aluminio puro y transformadores de impedancia en chip.

"Nuestro artículo reciente se basó en ideas centrales de mi investigación postdoctoral en la Universidad de Chicago, que se publicó en Nature hace dos años", dijo a Tech Xplore Youpeng Zhong, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. "En ese estudio, utilicé un cable coaxial superconductor de niobio-titanio (NbTi) para conectar dos procesadores cuánticos".

En uno de sus trabajos anteriores, Zhong intentó conectar dos procesadores cuánticos distintos usando cables superconductores NbTi, que se usan comúnmente para diseñar sistemas criogénicos/cuánticos. Para reducir la pérdida de conexión (es decir, la pérdida de energía que se producía inherentemente mientras la energía viajaba de un procesador a otro a través de los cables), intentó conectar los chips cuánticos directamente al cable de conexión NbTi.

"Descubrí que esto era bastante difícil, así que se me ocurrió la idea de probar nuevos cables hechos de diferentes metales superconductores, como el aluminio, el mismo material que nuestros circuitos cuánticos", explicó Zhong. "Los cables coaxiales hechos con aluminio puro no están fácilmente disponibles en el estante, porque el aluminio tiene más pérdidas y es más difícil de soldar que el cobre, lo que lo hace inadecuado para las aplicaciones de cableado normales. Además, su temperatura de transición superconductora está por debajo de la temperatura del helio líquido. Aparte de aplicaciones de interconexión cuántica, es raro encontrar escenarios en los que se necesite un cable coaxial de aluminio puro".

Para crear sus nuevas interconexiones de baja pérdida, Zhong ordenó cables coaxiales de aluminio puro personalizados y los integró con transformadores de impedancia en el chip. Las interconexiones resultantes exhibieron una pérdida significativamente menor (es decir, un orden de magnitud menor) que las interconexiones de uso rutinario basadas en cables NbTi, y también fueron fáciles de conectar a chips cuánticos.

"Los cables de aluminio puro resultaron ser la opción perfecta para las interconexiones cuánticas", dijo Zhong. "Nuestras interconexiones incluyen el cable coaxial de aluminio desarrollado a medida, la conexión de unión por cable entre el cable y el chip cuántico y una línea de transmisión de un cuarto de onda en el chip cuántico, que sirve como transformador de impedancia. El transformador de impedancia en la interconexión del equipo convierte la punto de conexión de enlace de cable a un nodo actual de un modo de onda estacionaria que se utiliza para transferir estados cuánticos.Esto minimiza significativamente la pérdida resistiva en el punto de conexión entre diferentes procesadores cuánticos.

"Nuestros hallazgos nos recuerdan cuánta mejora potencial podríamos lograr si pensamos fuera de la caja", dijo Zhong. "Por ejemplo, el trabajo de Charles Kao sentó las bases de las fibras ópticas tal como las conocemos hoy en día: con una pérdida récord de 0,2 dB/km, se han convertido en la columna vertebral de la red de comunicaciones global moderna, indispensables para las comunicaciones de corta y larga distancia. El impacto transformador de esta investigación de ciencia de materiales altamente técnica y casi descuidada fue galardonada con la mitad del Premio Nobel de Física de 2009. Otro ejemplo es el uso de acero inoxidable para el Starship Mars Rocket de Elon Musk".

El trabajo reciente de este equipo de investigadores destaca el enorme potencial de los cables de aluminio para desarrollar interconexiones efectivas para vincular módulos de procesamiento en sistemas cuánticos modulares. La interconexión de baja pérdida creada por Zong y sus colegas pronto podría integrarse en otros sistemas modulares, contribuyendo a los esfuerzos continuos para desarrollar procesadores cuánticos más escalables.

"Entre mis planes de investigación futuros, uno es explorar puertas de entrelazamiento cuántico en diferentes procesadores cuánticos", agregó Zhong. "Otro está tratando de aumentar el tamaño de los procesadores cuánticos conectando varios módulos".

Más información: Song Liu, Interconexiones de baja pérdida para procesadores cuánticos superconductores modulares, Nature Electronics (2023). DOI: 10.1038/s41928-023-00925-z. www.nature.com/articles/s41928-023-00925-z

Youpeng Zhong et al, Enredo determinista de múltiples qubits en una red cuántica, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03288-7

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