Quantum almacena datos en vibraciones similares a notas de guitarra

En un chip cuyo tamaño no supera el de una uña, un ordenador cuántico almacena información mediante pequeñas vibraciones, un avance que podría transformar la construcción de estas máquinas.

Aunque un ordenador cuántico no suele asociarse con instrumentos musicales, el chip desarrollado en ETH Zurich guarda datos en vibraciones que se comportan de manera similar a las notas que resuenan en una guitarra.

Estas vibraciones son inaudibles y ocurren a frecuencias extremadamente altas dentro de resonadores mecánicos microscópicos, donde paquetes de energía vibracional denominados fonones transportan información cuántica. El chip experimental mide aproximadamente 7,5 milímetros de largo, 2,5 milímetros de ancho y 1 milímetro de grosor, dimensiones comparables a una pequeña uña.

El equipo liderado por el físico cuántico Yiwen Chu utilizó estos resonadores como memoria operativa conectada a un procesador cuántico superconductivo. Los resultados, publicados en Science, muestran un método distinto para organizar un ordenador cuántico, que se asemeja más a la estructura básica de los ordenadores clásicos actuales.

“La interacción entre el procesador cuántico y la memoria cuántica constituye una base crucial para establecer los ordenadores cuánticos como una forma potente y fiable de realizar cálculos que no son factibles con ordenadores convencionales”, afirmó Yiwen Chu.

El modelo de CPU y memoria RAM aplicado al ordenador cuántico

En la mayoría de los sistemas cuánticos, el cálculo y el almacenamiento de información no están claramente separados. El procesamiento y la memoria suelen integrarse en el mismo hardware, lo que dificulta la ampliación sin añadir componentes voluminosos.

El equipo de Chu adoptó un concepto conocido de la informática convencional. En un ordenador digital, la unidad central de procesamiento (CPU) realiza cálculos, mientras que la memoria de acceso aleatorio (RAM) almacena datos temporalmente. Esta separación permite que el procesador acceda a la información cuando es necesario, evitando que todas las partes del sistema ejecuten todas las tareas.

La arquitectura cuántica experimental sigue un principio similar. Un cúbit superconductivo actúa como procesador y unidad de control, mientras que resonadores mecánicos almacenan la información cuántica durante la operación.

“En nuestra memoria operativa cuántica, la información no se almacena electromagnéticamente, como es habitual hoy en día, sino en forma de vibraciones mecánicas”, explicó Chu.

Funcionamiento de la memoria cuántica vibracional

Un cúbit difiere fundamentalmente de un bit clásico, que representa 0 o 1. Los estados cuánticos pueden existir en combinaciones llamadas superposiciones y pueden entrelazarse entre sí. Estas propiedades podrían permitir que los ordenadores cuánticos resuelvan ciertos problemas con mayor eficiencia que los convencionales, aunque construir hardware capaz de preservar y controlar estos estados delicados sigue siendo un desafío.

El sistema de ETH Zurich almacena información en modos vibracionales específicos dentro de los resonadores. Cuando el procesador requiere esos datos, el cúbit superconductivo interactúa con el modo seleccionado, modifica su estado cuántico y lo devuelve a la memoria.

Así se establece una división de tareas entre dos tecnologías con fortalezas distintas. Los cúbits superconductivos realizan operaciones rápidas y proporcionan el comportamiento no lineal necesario para la lógica cuántica. Los resonadores mecánicos son compactos, admiten múltiples modos vibracionales separados y pueden conservar estados cuánticos durante períodos relativamente largos.

Ventajas de la memoria mecánica frente a la electromagnética

Muchos diseños actuales emplean resonadores electromagnéticos como memoria debido a su precisión de control y compatibilidad con circuitos superconductores. Sin embargo, su tamaño limita la incorporación de un mayor número de elementos de memoria y cúbits en un chip.

Los resonadores mecánicos pueden albergar numerosos modos en un espacio mucho menor. Cada modo puede funcionar como una ubicación independiente para almacenar información, lo que permite que un solo componente acceda a múltiples posiciones de memoria sin requerir un dispositivo electromagnético individual por cada una.

Los investigadores demostraron experimentalmente que estos modos mecánicos no solo preservan pasivamente la información cuántica, sino que, al acoplarse con un cúbit superconductivo, pueden integrarse en una arquitectura programable capaz de realizar cálculos cuánticos. El estudio representa una prueba de concepto, no un ordenador comercial terminado, pero evidencia que la memoria basada en vibraciones puede ser un recurso computacional práctico.

Pruebas de la arquitectura cuántica programable

Para evaluar el diseño, el equipo implementó dos procedimientos clave: la transformada cuántica de Fourier y la búsqueda de períodos cuánticos.

“La transformada cuántica de Fourier es un procedimiento computacional fundamental requerido en muchos algoritmos cuánticos. El algoritmo de búsqueda de períodos que implementamos sirvió para demostrar cómo se puede utilizar este procedimiento”, explicó Igor Kladaric, estudiante de doctorado en el equipo de Chu y coautor del artículo.

La transformada cuántica de Fourier ayuda a revelar patrones ocultos en datos cuánticos y es un componente esencial en varios algoritmos importantes. La búsqueda de períodos aplica este procedimiento para identificar estructuras matemáticas repetidas, asociándose con algunos de los usos potenciales más discutidos de la computación cuántica.

Ambas pruebas exigieron que el sistema preparara, almacenara, conectara y manipulase con precisión varios estados cuánticos. Además, la arquitectura tuvo que transferir información entre el procesador y diferentes modos de memoria mecánica sin destruir la coherencia necesaria para el cálculo. Las demostraciones exitosas evidenciaron que el sistema puede realizar operaciones de fase controladas y conectar estados almacenados en su memoria disponible.

Desafíos para la expansión y futuro del diseño

En principio, la arquitectura incluye las operaciones esenciales para la computación cuántica de propósito general. Esto no implica que el chip pueda superar ya a los ordenadores convencionales, sino que demuestra que un procesador puede controlar un conjunto compacto de modos de memoria mecánica y utilizarlos para ejecutar algoritmos programables.

El siguiente reto es la escala. Un ordenador cuántico útil requeriría mucha más memoria, mayor potencia de procesamiento, bajas tasas de error y control fiable sobre una colección mucho mayor de estados cuánticos. Ahora corresponde a los investigadores determinar si los resonadores mecánicos mantienen sus ventajas al ampliar la arquitectura.