Electrónica de Computación Cuántica vs. Fotónica: Nuevos Chips Cambiarán el Equilibrio

¿Cómo te gustaría acceder a recursos de computación cuántica programables en Python y escalables a través de la nube? La startup canadiense Xanadu anunció recientemente un chip que permite este tipo de accesibilidad en la computación cuántica. Lo que es más interesante es cómo este tipo de chip se integrará en el ecosistema de la computación cuántica y cómo aprovecha la fotónica para manipular qubits en una computadora cuántica.

Aunque el 2021 se perfila como el año de la IA, los avances cuánticos siguen acaparando titulares, tal como lo hicieron en 2020. El 8 de marzo de 2021, Phys.org informó que la startup canadiense Xanadu y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de EE. UU. han anunciado un nuevo chip programable para ejecutar múltiples algoritmos cuánticos. El informe sigue a una publicación revolucionaria en Nature, donde los autores informan que su chip puede operar a temperatura ambiente. Este chip es único en comparación con los avances previos en computación cuántica que hemos reportado en este blog, donde se utilizan señales de RF o láseres para manipular qubits en un sistema enfriado criogénicamente.

El chip de Xanadu es único en el sentido de que opera con fotones, o luz, en longitudes de onda ópticas. En la computación cuántica, los qubits superconductores y los qubits atrapados en iones han estado ganando terreno, y estas arquitecturas de computación se utilizan en los computadores cuánticos típicamente grandes. Este nuevo avance de Xanadu marca una nueva victoria en el portafolio de fotónica, y queda por ver si esto se convertirá en el nuevo estándar para el hardware de computación cuántica.

La Fotónica Exhibe Ventaja Cuántica

Este nuevo chip es único en términos de su tamaño físico, cómo funciona y cómo puede integrarse en un IC cuántico o procesador más grande. Estamos empezando a ver ICs cuánticos siguiendo la misma progresión de escalado e integración que los ICs electrónicos experimentaron durante los últimos 50 años. A continuación, se muestra un esquemático que muestra la arquitectura del procesador de Xanadu. Este chip es completamente fotónico; la luz de bombeo (datos de entrada) se introduce en el circuito usando fibra a través de un acoplador de E/S. La salida del chip puede entonces ser leída desde un acoplador de salida y enviada a un detector superenfriado.

La arquitectura mostrada arriba utiliza cavidades de resonador de anillo en la entrada para atrapar fotones en estados cuánticos altamente coherentes, conocidos como estados "comprimidos", que se almacenan a temperatura ambiente. A mitad de camino entre las entradas y salidas, divisores de haz y desplazadores de fase se enlazan con guías de onda para crear interferómetros cuánticos programables. Esto es lo que permite la mezcla programable de estados a medida que los fotones de entrada se propagan hacia la salida. Finalmente, se utiliza un módulo de control electrónico clásico para recibir la entrada del usuario y configurar cada divisor de haz y desplazador de fase en el arreglo.

Ventajas

Esta arquitectura es muy poderosa y ofrece varias ventajas sobre los qubits de iones atrapados y los qubits superconductores:

• Operación con múltiples fotones: La encarnación actual recibe datos de fibra, pero el ancho del bus podría extenderse para dar uno o más flujos de datos paralelos.
• Baja pérdida: La estructura del resonador de anillo y la estructura de la guía de onda confinan naturalmente la luz gracias a la reflexión interna total. Esta es una gran ventaja sobre otros computadores cuánticos competitivos, que son muy propensos a pérdidas.
• Temperatura ambiente: Los ordenadores cuánticos que funcionan con qubits superconductores y qubits atrapados en iones deben operar a temperaturas criogénicas. Esto es en parte para prevenir la decoherencia (pérdida del estado cuántico de un qubit) y en parte para asegurar que los interconectores y los qubits permanezcan superconductores/atrapados. Poder funcionar a temperatura ambiente elimina la necesidad de sistemas de enfriamiento complejos o configuraciones precisas de enfriamiento láser para asegurar que los estados de los qubits no se pierdan.
• Programable: El dispositivo tiene una arquitectura simple que puede ser configurada con una biblioteca de Python. Esto es una gran ventaja para la escalabilidad e integración; hablaré más de esto a continuación.
• Altamente escalable: Uno de los principales factores limitantes en los ordenadores cuánticos estándar, como aquellos basados en cavidades resonadoras de microondas con iones atrapados, es su escalabilidad. Construir todo en un chip plano hace que estos dispositivos sean mucho más escalables, y posiblemente permite que se integren en arquitecturas IC estándar (2D, 2.5D o 3D).
• Plataforma de silicio: Usar silicio como una plataforma fotónica ayuda a la escalabilidad ya que estos chips podrían implementarse en un proceso CMOS. La integración de fuentes de luz y detectores en el mismo chip sigue siendo un desafío, y la integración en una placa puede requerir estilos de interconexión únicos para suministrar y recoger luz.

Tenga en cuenta que solo el chip funciona a temperatura ambiente; el detector y el lado de lectura del sistema aún funcionan a temperatura superenfriada, pero el sistema es un paso en la dirección correcta. El aspecto más importante de este sistema es que su escalabilidad puede, en teoría, habilitar la ventaja cuántica.

Ventaja Cuántica

El término "ventaja cuántica" simplemente significa que cierta computadora cuántica es capaz de realizar cálculos que son intratables con una computadora clásica. La capacidad de realizar cálculos con múltiples entradas y salidas en paralelo no solo hace que el sistema sea escalable, sino que también permite la ventaja cuántica. A medida que aumenta el número de puertos de entrada, también aumenta el número de estados posibles, lo que aumentaría la cantidad de tiempo que una computadora clásica requeriría para simular todos los valores posibles en los puertos de salida.

“¡Hola Mundo!” en la Nube Cuántica

Este nuevo procesador cuántico ahora está disponible para acceso público en la plataforma en la nube de Xanadu, y los desarrolladores pueden implementar sus propios algoritmos cuánticos usando PennyLane, la biblioteca de Python de la compañía para el desarrollo de computación cuántica. Este es otro paso en la dirección correcta para la computación cuántica escalable y de propósito general: el desarrollo de una pila de software para construir aplicaciones cuánticas en lenguajes de programación populares.

Si quieres desplegar tu propio programa en la nube de Xanadu, tendrás que solicitar acceso. Asumiendo que tienes acceso, puedes usar su biblioteca con el siguiente bloque de código para ejecutar tu primer algoritmo cuántico:

¿Qué significa esto para los diseñadores de PCB? Si queremos construir sistemas pequeños y ligeros con procesadores cuánticos, no podemos tener grandes fuentes de luz y detectores en la placa solo para interactuar con un chip cuántico. Reducir el tamaño del sistema, hasta el punto en que un procesador cuántico pueda ser colocado en un PCB, requiere integrar fuentes de luz y detectores para estos sistemas hasta el nivel del die.

Ahora, con estas capacidades accesibles en la nube, imagina poder tener un dispositivo embebido que envía datos a una computadora cuántica conectada a la nube como parte de una aplicación más grande. Las posibilidades son asombrosas, y solo podemos esperar que la arquitectura de Xanadu llegue al nivel del dispositivo.

A medida que las nuevas tecnologías se vuelvan prominentes y ampliamente disponibles para la comunidad electrónica, Altium estará aquí para ayudar a los ingenieros innovadores a construir electrónicos que empujen los límites de la tecnología. A medida que la industria electrónica comience a ver soluciones de computación cuántica comercializadas, podrás diseñar alrededor de estas con Altium Designer® y la plataforma Altium 365™. Sigue viendo el blog para más actualizaciones de ingeniería y tecnología.