Computación cuántica un paso más cerca de las aplicaciones del mundo real

Si bien se prevé que el mercado de la computación cuántica alcance los $65 mil millones para 2030, todavía hay muchos obstáculos antes de que entre en la implementación del mundo real. Dicho esto, la computación cuántica tiene el potencial de resolver muchos de nuestros problemas más complejos. Los equipos de investigación de universidades e instituciones privadas de todo el mundo están trabajando arduamente para que esto sea una realidad.

Uno de estos equipos está dirigido por Xu Yi, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Virginia. 

Su equipo ha creado un nicho en la física y las aplicaciones de los dispositivos fotónicos, que se utilizan para detectar y dar forma a la luz para aplicaciones como las comunicaciones y la informática. El equipo ha desarrollado una plataforma de computación cuántica escalable que reduce drásticamente la cantidad de dispositivos necesarios para alcanzar la velocidad cuántica, y pudo tener lugar en un chip fotónico del tamaño de un centavo.

El equipo también incluyó a Olivier Pfister, profesor de óptica cuántica e información cuántica en la UVA, y Hansuek Lee, profesor asistente en el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea.

La investigación fue publicada en Nature Communications.

También contó con el apoyo de Zijiao Yang, estudiante de doctorado en física, y Mandana Jahanbozorgi, estudiante de doctorado. estudiante de ingeniería eléctrica e informática. Los dos son los co-primeros autores del artículo. 

Información de procesamiento y computación cuántica

La computación cuántica abre una nueva forma de procesar información y permite que su computadora de escritorio o portátil procese información en largas cadenas de bits. Un bit tiene un valor cero o uno, y las computadoras cuánticas procesan información en paralelo, lo que significa que no necesitan esperar a que se procese una secuencia de información antes de pasar a más. Un qubit es el componente fundamental de la computación cuántica y es una unidad de información que puede ser uno y cero al mismo tiempo. Un modo cuántico, por otra parte, abarca todo el espectro de variables entre uno y cero.

Los investigadores ahora están trabajando en diferentes enfoques para producir de manera eficiente una gran cantidad de qumodes necesarios para lograr velocidades cuánticas.

El nuevo enfoque basado en la fotónica desarrollado por Yi es especialmente útil ya que un campo de luz también es de espectro completo. Esto significa que cada onda de luz en el espectro tiene el potencial de convertirse en una unidad cuántica. Yi planteó la hipótesis de que la luz alcanzaría un estado cuántico si los campos de luz estuvieran entrelazados.

Crear el sistema

El equipo de Yi creó una fuente cuántica en un microrresonador óptico, que es una estructura de tamaño milimétrico en forma de anillo que envuelve los fotones antes de generar un microscopio, un dispositivo que convierte los fotones de longitudes de onda simples a múltiples. La luz circula alrededor del anillo y acumula potencia óptica, lo que aumenta las posibilidades de que los fotones interactúen. Esto, a su vez, produce un entrelazamiento cuántico entre campos de luz en el micropeine. 

El equipo de Yi utilizó la multiplexación para verificar la generación de 40 qumodes a partir de un solo microrresonador en un chip y demostraron que la multiplexación de modos cuánticos puede funcionar en plataformas fotónicas integradas. 

“Estimamos que cuando optimizamos el sistema, podemos generar miles de qumodes desde un solo dispositivo”, dijo Yi.

A través de la técnica de multiplexación de Yi, nos estamos acercando al uso de la computación cuántica en condiciones del mundo real, donde hay errores inevitables. Estos errores se deben a los estados cuánticos y su naturaleza frágil.

La cantidad de errores podría requerir más de un millón de qubits para compensarlos, y hay un aumento proporcional en la cantidad de dispositivos. La multiplexación reduce este número de dispositivos en dos o tres órdenes de magnitud. 

Hay dos ventajas más en el sistema basado en fotónica de Yi. Primero, debido a que el fotón no tiene masa, las computadoras cuánticas con chips fotónicos integrados pueden funcionar o dormir a temperatura ambiente. Lee también fabricó el microrresonador en un chip de silicio utilizando técnicas de litografía estándar. Esto significa que el resonador o fuente cuántica podría producirse en masa. 

“Estamos orgullosos de ampliar las fronteras de la ingeniería en computación cuántica y acelerar la transición de la óptica masiva a la fotónica integrada”, dijo Yi. "Continuaremos explorando formas de integrar dispositivos y circuitos en una plataforma de computación cuántica basada en fotónica y optimizar su rendimiento".