La Computación Cuántica Está un Paso Más Cerca de las Aplicaciones del Mundo Real

Aunque se proyecta que el mercado de la computación cuántica alcanzará los 65 mil millones de dólares para 2030, todavía hay muchos obstáculos antes de que se implemente en el mundo real. Con eso dicho, la computación cuántica tiene el potencial de resolver muchos de nuestros problemas más complejos. Los equipos de investigación en universidades y instituciones privadas de todo el mundo están trabajando duro para hacer que esto sea una realidad.

Uno de estos equipos está siendo liderado por Xu Yi, profesor asistente de ingeniería eléctrica y computación en la Escuela de Ingeniería y Ciencia Aplicada 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 la comunicación y la computación. El equipo ha desarrollado una plataforma de computación cuántica escalable que reduce drásticamente el número de dispositivos necesarios para lograr la velocidad cuántica, y esto se logró en un chip fotónico del tamaño de una moneda de un centavo.

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

La investigación se publicó en Nature Communications.

También contó con el apoyo de Zijiao Yang, estudiante de doctorado en física, y Mandana Jahanbozorgi, estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica y computación. Los dos son los coautores principales del artículo.

Computación Cuántica y Procesamiento de Información

La computación cuántica abre una nueva forma de procesar la información, y permite que su computadora de escritorio o portátil procese la información en largas cadenas de bits. Un bit puede tener un valor de cero o uno, y los computadores cuánticos procesan la 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 bloque de construcción fundamental de la computación cuántica, y es una unidad de información que puede ser uno y cero al mismo tiempo. Un modo cuántico, por otro lado, abarca todo el espectro de variables entre uno y cero.

Los investigadores ahora están trabajando en diferentes enfoques para producir de manera eficiente grandes cantidades de qumodos necesarios para lograr velocidades cuánticas.

El nuevo enfoque basado en 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 hipotetizó que la luz lograría un estado cuántico si los campos de luz estuvieran entrelazados.

Creación del Sistema

El equipo de Yi creó una fuente cuántica en un microresonador óptico, que es una estructura anular de milímetros de diámetro que envuelve a los fotones antes de generar un microscopio, un dispositivo que convierte los fotones de una longitud de onda a múltiples longitudes de onda. La luz circula alrededor del anillo y aumenta la potencia óptica, lo que a su vez aumenta las posibilidades de que los fotones interactúen. Esto produce entrelazamiento cuántico entre los campos de luz en el microcombinador.

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

“Estimamos que cuando optimicemos el sistema, podremos generar miles de qumodos a partir de un solo dispositivo”, dijo Yi.

A través de la técnica de multiplexación de Yi, estamos acercándonos a utilizar 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 el número 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. En primer lugar, porque el fotón no tiene masa, los computadores cuánticos con chips fotónicos integrados pueden funcionar o dormir a temperatura ambiente. Lee también fabricó el microresonador en un chip de silicio utilizando técnicas de litografía estándar. Esto significa que el resonador o la fuente cuántica podrían producirse en masa.

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