Los ordenadores cuánticos, dispositivos que procesan información aprovechando los efectos de la mecánica cuántica, prometen superar a los ordenadores clásicos en tareas complejas de optimización y cálculo. Sin embargo, antes de que estos sistemas puedan ser adoptados a gran escala, es necesario abordar diversos desafíos técnicos que presentan. Uno de los más destacados es la conexión efectiva de los qubits, que operan a temperaturas criogénicas, con controladores externos que funcionan a temperaturas más altas.
Los métodos actuales para conectar estos componentes, que incluyen cables coaxiales o interconexiones ópticas, son inadecuados, ya que introducen calor y ruido excesivos. Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) han desarrollado un nuevo sistema de interconexión criogénica inalámbrica de terahercios (THz) basado en tecnología de semiconductor de óxido metálico complementario (CMOS), publicado en Nature Electronics. Este avance minimiza el calor en los procesadores cuánticos mientras transfiere información cuántica de manera eficaz.
Desafíos y soluciones en la conectividad cuántica
Jinchen Wang, primer autor del estudio, explica que «el presupuesto de energía total en temperaturas criogénicas es muy limitado». Cada cable de microondas que conecta la electrónica a temperatura ambiente con el núcleo del sistema criogénico introduce un flujo de calor pasivo no deseado de aproximadamente 1 mW. En un ordenador cuántico de 50 qubits, como el de Google, hay más de 500 cables de microondas, lo que complica la escalabilidad del sistema.
Para aprovechar su potencial total, los sistemas cuánticos deben integrar decenas de miles o incluso millones de qubits. Sin embargo, esto es poco práctico con los cables de microondas existentes. Para sortear este obstáculo, los investigadores propusieron un enlace inalámbrico que envía señales de control y recibe datos de lectura, sin añadir carga térmica pasiva.
La clave radica en el uso de comunicación por retrodispersión. En lugar de generar fuentes de THz que consumen mucha energía dentro de la estación criogénica, se colocan en el exterior, a temperatura ambiente, donde no afectan el consumo energético. «El haz de THz se envía como una onda portadora a la estación criogénica, donde se modula con los datos de lectura del núcleo del sistema cuántico y se refleja de nuevo», detalla Wang. Este método permite la comunicación de transceptores sin un consumo excesivo de energía, similar a cómo un espejo refleja la luz.
Asimismo, se han incorporado técnicas como la cruz-polarización, en la que el enlace ascendente y descendente comparten la misma antena pero utilizan diferentes polarizaciones para ahorrar espacio, y un detector THz frío, que no consume energía. Aunque el sistema de interconexión criogénica inalámbrica está en sus primeras fases de desarrollo, en pruebas iniciales ha demostrado ser más eficiente que un cable de microondas comercial, alcanzando una eficiencia energética notable de 34 fJ/bit para el enlace descendente y 200 fJ/bit para el enlace ascendente.
Este enfoque podría facilitar el despliegue a gran escala de ordenadores cuánticos, haciéndolos más accesibles y escalables. Además, la nueva interconexión inalámbrica es asequible y puede fabricarse utilizando tecnología CMOS estándar y comercialmente disponible. Según Wang, se prevé el diseño de un enlace de datos THz multicanal con una matriz de fase THz, lo que eliminaría la necesidad de antenas voluminosas y contribuiría a una mayor escalabilidad. Se anticipa que estos esfuerzos llevarán a un sistema de computación cuántica real en un plazo de cuatro a ocho años.
