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Noah Goss, estudiante de posgrado e investigador del AQT y QNL, es el autor principal del artículo de Nature (Credit: Trevor Chistolini/Berkeley Lab)

Un equipo interdisciplinario del Advanced Quantum Testbed (AQT, por sus siglas en inglés) en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y el Quantum Nanoelectronics Laboratory (QNL, por sus siglas en inglés) de la Universidad de California, Berkeley, logró un avance técnico significativo utilizando cutrits (sistemas de tres niveles) en un procesador cuántico a base de circuitos superconductores. El equipo entrelazó exitosamente dos cutrits transmón (o “transmon”) para realizar operaciones cuánticas con fidelidad significativamente más altas que en trabajos previos, avanzando la lógica cuántica ternaria que puede codificar más información que sus contrapartes binarias: cúbits.

El éxito experimental se publicó en Nature Communications en noviembre de 2022, y fue destacado por el editor de la revista científica. El avance del AQT, se suma a la trayectoria de éxitos experimentales importantes para la investigación y el desarrollo de cutrits en 2021, publicados en el Physical Review X, y el Physical Review Letters. Los procesadores cuánticos con sistema ternario ofrecen potencialmente importantes ventajas en la simulación cuántica y la corrección de errores, así como la capacidad de mejorar ciertos algoritmos y aplicaciones cuánticas.

Aprovechando los sistemas cuánticos ternarios

Un cutrit superconductor, como un cubit, efectúa las operaciones lógicas cuánticas utilizando un pulso de microondas para su control. Sin embargo, la lógica cuántica ternaria tiene un espacio de estado y un entorno de ruido más complejos, lo que hace que las operaciones lógicas simples y dobles de cutrits sean difíciles de controlar en plazos cortos.

Los avances recientes en la ciencia de los materiales y el diseño de dispositivos cuánticos han mejorado la coherencia de los dispositivos superconductores, facilitando a su vez el control de los cutrits, pues generalmente son más susceptibles al ruido. Sin embargo, para aprovechar al máximo la potencia de procesador cuántico ternario, es necesario ejecutar operaciones con un alto control de los cutrits individuales, y también entrelazar los cutrits aledaños con alta fidelidad manteniendo el control de estos con flexibilidad.

Equipos de investigación en el campo han demostrado operaciones de un sólo cutrit con alta fidelidad. Sin embargo, hasta el momento, la velocidad de la operación de entrelazamiento, se ha comprometido a depender de una interacción lenta y estática que siempre está “activa”. Al acelerar esta interacción estática en el sistema ternario, sin tener la capacidad de sintonizarla, aumentarían el ruido, la interferencia de signos clásicos cruzados (o “crosstalk”), y los errores en las operaciones.

El equipo que lideró la demostración en el AQT aprovechó la investigación previa en el laboratorio para implementar un entrelazamiento más rápido y activado por microondas, y que fuera a su vez flexible y sintonizable entre dos cutrits transmon con frecuencia fija y acoplamiento fijo. Este nuevo enfoque generó dos operaciones con dos cutrits, la operación lógica Z controlada (CZ) y la inversa Z controlada (CZ+). Usando un método para medir el ruido de las operaciones en paralelo (o “cycle benchmarking”) del trabajo experimental previo en el AQT con la empresa Quantum Benchmark (Keysight Technologies), el equipo midió una fidelidad del proceso para generar una operación entrelazada de dos cutrits de hasta 97.3%, disminuyendo la inexactitud o infidelidad (“infidelity”) en un factor de alrededor 4 de los esfuerzos anteriores. Además, por primera vez en el estudio de los cutrits, los investigadores del AQT aplicaron y generalizaron otro famoso protocolo bien conocido, “cross-entropy benchmarking”, para caracterizar el ruido y determinar la fidelidad de las operaciones.

Explorando nuevas fronteras en la física cuántica

Noah Goss, investigador y estudiante de postgrado en el AQT y QNL, es el autor principal del artículo científico en Nature Communications. Goss se encuentra entusiasmado con el avance de la mecánica cuántica para operaciones con cutrits. Goss explicó:

“Una combinación de varios trabajos de investigación en el AQT y QNL, nos permitió llegar a este momento, en el cual podemos identificar y comprender bien la física con operaciones lógicas a base de cutrits. Hemos aprovechado una gran cantidad de experiencia previa para avanzar más al introducir una interacción con cutrits manteniendo un alto grado de control, y que no se había estudiado antes”.

El equipo del AQT demostró en 2021 cómo implementar un acoplamiento sintonizable activado por microondas entre cubits con frecuencia fija. Para hacerlo con los cutrits, Goss y el equipo aplicaron el efecto diferencial “AC Stark” en dos cutrits transmon con frecuencia fija. El cambio del efecto “AC Stark” utiliza luz de microondas para hacer pequeños cambios en las frecuencias de transición y la estructura del nivel de energía del sistema del cutrit para sintonizar el entrelazamiento entre los dos cutrits.

“Aprendimos a generar entrelazamiento con operaciones de dos cutrits sin sacrificar las de un solo cútrit. Y, a pesar de estar en un espacio cuántico más grande, si se compara la fidelidad lograda en la demostración experimental con cutrits, es competitiva con las operaciones de tres cúbits de última generación”, dijo Goss.

La física y el trabajo del AQT con la generación de operaciones entrelazadas de dos cutrits “transmons” con una frecuencia fija y alta fidelidad, pueda ser aplicada a diferentes arquitecturas, incluyendo aquellos sistemas con diferentes circuitos superconductores como Fluxonium.

Construyendo una visión cuántica

La generación de operaciones de cutrits con alta fidelidad introduce un grado complejidad en todas las áreas de la computación cuántica. El AQT ofrece una formación ideal para este tipo de exploraciones difíciles y de vanguardia con procesadores superconductores cada vez más complejos. El AQT también está capacitando a la próxima generación de científicos e ingenieros a través de sus oportunidades de investigación y acceso abierto a la plataforma de pruebas del laboratorio. En el tercer año del programa de usuario en el AQT, el trabajo experimental del equipo de Goss, ha despertado gran interés para futuras colaboraciones.

“Es divertido y genial seguir avanzando y aprovechando la experiencia de trabajos anteriores mientras se impulsa una dirección de investigacion de cutrits, y desde un ángulo muy diferente al del resto de la academia y la industria. El AQT es un gran lugar para tal exploración. Todavía hay muchos temas que deben resolverse, y mucha física por explorar con cutrits”, dijo Goss.

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