¿Cómo serán los componentes de una computadora cuántica?

Recuerdo estar en la universidad hace más de una década y escuchar sobre las computadoras cuánticas en mis clases avanzadas de física. En ese momento, ya era bastante difícil para mí entender los conceptos básicos y para el profesor explicarlos. Avanzando hasta hoy, las computadoras cuánticas finalmente se han convertido en una realidad, y la misión se ha convertido en escalar la tecnología. Si eres un desarrollador de algoritmos cuánticos, incluso puedes alquilar tiempo en una computadora cuántica a través de la nube y ejecutar tus propias aplicaciones cuánticas.

No muchas personas han visto el interior de una computadora cuántica hasta probablemente los últimos dos años, cuando muchos gigantes tecnológicos comenzaron a publicitar algunos detalles de sus sistemas. Ahora que hemos tenido el privilegio de ver algunos de los detalles más finos que conlleva construir sistemas cuánticos, se hace más fácil ver cómo son algunos de los componentes principales de una computadora cuántica, así como qué funciones realizan. Aparte de las estructuras utilizadas en los procesadores de qubits, los componentes de una computadora cuántica tienen mucha semejanza con sus contrapartes clásicas.

En este momento, la parte más importante de una computadora cuántica (el procesador de qubits) es completamente personalizada, pero hay una serie de otros subsistemas que hacen que una computadora cuántica funcione. Los diseñadores de PCB pueden jugar un papel más importante de lo que piensan en ayudar a comercializar estos sistemas. Sin entrar demasiado en qué es una computadora cuántica, haré todo lo posible por explicar los roles que juegan los diferentes componentes de una computadora cuántica.

¿Qué hace a una Computadora "Cuántica"?

Todas las computadoras cuánticas usan bits cuánticos, o qubits, para procesar información. La explicación popular para una computadora cuántica es que aprovecha el hecho de que un qubit puede existir como una superposición (o combinación) de estados de información, lo que se interpreta como los qubits en el procesador de una computadora cuántica estando en alguna mezcla de estados 0 y 1 simultáneamente. La visión filosófica alternativa de la mecánica cuántica (o la interpretación de "Muchos Mundos") sostiene que las computadoras cuánticas son máquinas inherentemente paralelizadas, ¡con copias de una computadora cuántica ejecutando múltiples cálculos en universos paralelos!

Cualquier imagen física que te ayude a entender mejor el comportamiento de los qubits, los propios qubits son solo la mitad de la historia. La otra mitad depende del uso del entrelazamiento, un fenómeno que todavía desconcierta a los físicos. Einstein lo describió como "acción espeluznante a distancia" ya que permite que los qubits se escriban en el mismo estado cuántico, incluso cuando están separados por distancias extremadamente largas. Esto plantea cosas como la comunicación más rápida que la luz y ha dado lugar incluso a aplicaciones como el radar cuántico.

Lo que hace una Computadora Cuántica

Una computadora cuántica está diseñada para manipular y leer qubits, que pueden estar entrelazados con otros qubits, o que pueden estar en alguna superposición de 0's y 1's. Esto depende de una serie de componentes y subsistemas importantes. Aunque una computadora cuántica usa qubits, los subsistemas de soporte que la hacen funcionar como está diseñada son todos componentes clásicos, hasta los pasivos utilizados en las placas de circuito.

Esto es lo que se necesita para asegurar que una computadora cuántica funcione como está diseñada:

Aislamiento del Entorno vs. Integración

El procesador cuántico, y los qubits que contiene, deben estar fuertemente aislados del entorno. Cuando un qubit interactúa con el entorno circundante (a través de la absorción de luz o calor), el estado actual de un qubit puede perderse, creando un error. Asegurar el aislamiento implica el uso de sistemas de alto vacío y refrigeración para prevenir la decoherencia de un qubit.

Esto es donde se necesitan una serie de componentes y sistemas para asegurar el aislamiento:

• Bombas de vacío de ultra alto vacío

• Sistemas de refrigeración por dilución

• Sistemas de termostato de baja temperatura

• Blindaje electromagnético

• Tuberías para refrigerante de helio líquido y nitrógeno líquido

Controlar estos sistemas requiere de un procesador clásico para leer las mediciones de vacío y temperatura y hacer ajustes en la potencia del vacío y la temperatura. Esto no requiere de un poder de cómputo clásico masivo. Un MPU típico o un FPGA contiene suficiente poder de procesamiento para ejecutar estos sistemas de control y asegurar el aislamiento, así como para entregar datos a una aplicación que se ejecuta en una computadora clásica. Continuar ampliando la vista, y puede haber equipos de red y otros sistemas alrededor de la columna principal en una computadora cuántica que le permite interfaz con otros sistemas a través de la nube. El requisito de aislamiento ha sido una espada de doble filo para todo esto hasta hace poco.

A finales de febrero de 2022, se anunció que investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de EE. UU. construyeron y probaron un sistema que permite que componentes comerciales en placas de circuito estándar operen en proximidad cercana con dispositivos ultrafríos utilizados en computadoras cuánticas. El desafío con la integración a nivel de placa de circuito es el calor generado por la electrónica convencional puede causar que un qubit experimente decoherencia, lo que destruye el estado cuántico y crea un error. Este es solo un paso hacia la integración de componentes cuánticos y clásicos a nivel de sistema.

Otro avance reciente implica la integración a nivel de chip. A principios de febrero, investigadores de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) y el Laboratorio Cambridge de Hitachi diseñaron un circuito integrado CMOS de 40 nm con puntos cuánticos de silicio y circuitos de lectura multiplexados en el dominio del tiempo en el mismo die. Aunque no es un procesador de propósito general, el resultado ilustra la posibilidad de construir componentes de computación cuántica a escala con un proceso CMOS estándar.

Procesadores Cuánticos

El componente principal que hace funcionar a una computadora cuántica es el procesador cuántico. Existen diferentes tipos de procesadores cuánticos (fotónicos, espintrónicos, de trampa de iones y otros), al igual que los procesadores clásicos. Más recientemente, se ha demostrado que los procesadores cuánticos de trampa de iones proporcionan una mayor aislación para los qubits. Además, ofrecen una mayor potencia de cálculo con un menor número de qubits en comparación con otros procesadores.

A partir del 28 de marzo de 2022, ya puedes comprar una unidad de procesamiento cuántico (QPU) de 25 qubits de QuantWare, una empresa derivada de la Universidad de Delft en los Países Bajos. Anteriormente, la compañía lanzó un procesador de 5 qubits listo para usar en julio de 2021. QuantWare quiere convertirse en uno de los principales fabricantes de chips que desarrollan y producen procesadores cuánticos a pequeña escala. Actualmente, sus procesadores cuánticos personalizados de 25 qubits pueden ser entregados a los clientes en 30 días. Lógicamente, los ASICs cuánticos y los SoCs cuánticos están próximos en la lista de productos disponibles.

Aunque la nueva oferta de productos de QuantWare no es el único procesador cuántico que jamás se haya creado, ciertamente es el primero en estar disponible comercialmente como un componente listo para usar. Algunos de los procesadores cuánticos notables de la memoria reciente incluyen sistemas anunciados por empresas como Intel, IBM, Honeywell, la Universidad de Ciencia y Tecnología de China y Rigetti. El ecosistema de hardware para apoyar la computación cuántica está comenzando a crecer rápidamente, pero requiere mucho más que procesadores cuánticos.

Circuitos Superconductores

Los datos de entrada y salida de un procesador cuántico deben ser retroalimentados a un sistema de lectura utilizando circuitos hechos de materiales superconductores. Estos circuitos de interfaz y lectura deben ser enfriados a temperaturas de ~10 mK. Solo para comparar, la temperatura de fondo del universo es solo de ~3 K. Finalmente, estos circuitos se conectan de nuevo a un sistema de lectura (ver abajo) para que los datos puedan ser capturados.

Los materiales superconductores (aparte de los óxidos de cobre a menos de ~35 K) no son algo que se pueda obtener comercialmente. La circuitry superconductora utilizada en procesadores cuánticos y en interconexiones de lectura actualmente se fabrica a medida, pero estos eventualmente se interfazan con un conjunto de componentes de microondas. Aquí es donde los diseñadores de RF y los componentes que utilizan se vuelven críticos.

Fuentes/Detectores de Microondas Coherentes y Cables Coaxiales

Incluso las computadoras cuánticas han caído víctimas de la escasez de componentes especializados. En un reciente artículo de MIT Technology Review, Martin Giles lamentó “Tendríamos más computadoras cuánticas si no fuera tan difícil encontrar los malditos cables.” Aunque se necesitan algunos cables superconductores especializados para transferir datos, estos se conectan de vuelta a un conjunto de componentes clásicos para la lectura de datos.

Los componentes estándar utilizados en los frontales RF pueden usarse en la parte superior de la columna para generar, amplificar y capturar señales de lectura, que luego se convierten en bits clásicos con ADCs de alto ancho de banda/bajo ruido. Esto es un poco simplista ya que hay una serie de amplificadores, filtros y un detector utilizados para acondicionar y capturar la señal de lectura. Aunque la percepción de lo cuántico como un conjunto de tecnologías super avanzadas crea la impresión de que se necesitan componentes RF avanzados, estos sistemas operan a frecuencias de ondas milimétricas moderadas. Por ejemplo, uno de los sistemas de lectura de Intel opera solo a 20 GHz, lo cual está cómodamente dentro del rango de operación de muchos sistemas RF.

Desafíos y Oportunidades

Estandarización

Actualmente, toda la electrónica clásica utilizada en los sistemas de control para computadoras cuánticas se fabrica a medida a partir de componentes discretos. La integración de estos sistemas ayudará a la miniaturización, tal como ha ocurrido con el tiempo en las computadoras clásicas. La responsabilidad de esto se divide entre los fabricantes de chips, diseñadores electrónicos e integradores de sistemas cuánticos. Es poco probable que los fabricantes de chips asuman este papel en el corto plazo, dejando la responsabilidad en los diseñadores de sistemas para integrar los sistemas de control y lectura.

Para comercializar estas tecnologías y lanzar nuevos productos al mercado, deben ser interoperables con la electrónica convencional y entre sí, algo que se está persiguiendo activamente. Hacer que las computadoras cuánticas sean interoperables, más potentes (esto va más allá del simple conteo de qubits) y miniaturizadas también requiere adoptar un enfoque modular, algo que será posible gracias a una mayor estandarización. Organizaciones como el Quantum Economic Development Consortium (aclaración: soy un ex miembro de su comité de desarrollo de la fuerza laboral) se están enfocando en desarrollar estos estándares para ayudar a una mayor comercialización.

Una mayor estandarización de los componentes ayudará a que más diseñadores se involucren en el desarrollo de nuevos sistemas para apoyar la computación cuántica. A medida que más componentes y sistemas cuánticos se estandaricen y comercialicen, se integrarán más a la perfección con sistemas electrónicos más grandes. Actualmente, las computadoras clásicas se utilizan para sistemas de control y lectura, así como para conectar las computadoras cuánticas a la nube.

Crecimiento Real del Mercado

En cuanto al crecimiento del mercado en los próximos años, las proyecciones del tamaño del mercado varían de $830 millones a $5 mil millones para 2024, y estamos bien encaminados para alcanzar ese objetivo. Wall Street ha comenzado a tomar nota, y algunos nombres bien conocidos de la computación cuántica fueron llevados a la bolsa a través de fusiones con SPAC de mil millones de dólares en 2021. Si esta tecnología está sobrevalorada o entregará la próxima ola de innovación tecnológica masiva está por verse, pero es probable que los diseñadores vean algunos de los primeros sistemas cuánticos comercialmente disponibles y herramientas de desarrollo muy pronto.

A medida que los componentes y sistemas de computadoras cuánticas se comercialicen, Octopart estará aquí para ofrecer características de gestión de la cadena de suministro a los diseñadores. No importa qué tipo de sistema o subsistema estés diseñando para apoyar a las computadoras cuánticas, el motor de búsqueda de Octopart incluye características avanzadas de filtración para ayudarte a seleccionar exactamente los componentes que necesitas. Echa un vistazo a nuestra página de circuitos integrados para comenzar la búsqueda de tus componentes ideales.

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