Las computadoras cuánticas de hoy son complicadas de construir, difíciles de escalar y requieren temperaturas más frías que las del espacio interestelar para funcionar. Estos desafíos han llevado a los investigadores a explorar la posibilidad de construir computadoras cuánticas que funcionen con fotones, partículas de luz. Los fotones pueden transportar información fácilmente de un lugar a otro, y las computadoras cuánticas fotónicas pueden operar a temperatura ambiente, por lo que este enfoque es prometedor. Sin embargo, aunque han creado con éxito “puertas lógicas” cuánticas individuales para fotones, es un desafío construir una gran cantidad de puertas y conectarlas de manera confiable para realizar cálculos complejos. Ahora, los ingenieros de Stanford proponen un diseño más simple para computadoras cuánticas.
Se podría construir un diseño de computadora cuántica relativamente simple que usa un solo átomo para manipular fotones con los componentes disponibles actualmente.
El estudiante graduado de Stanford Ben Bartlett y Shanhui Fan, profesor de ingeniería eléctrica, han propuesto un diseño más simple para computadoras cuánticas fotónicas utilizando componentes fácilmente disponibles, según un artículo publicado el 29 de noviembre en Optica . Su diseño propuesto utiliza un láser para manipular un solo átomo que, a su vez, puede modificar el estado de los fotones a través de un fenómeno llamado «teletransportación cuántica«. El átomo se puede restablecer y reutilizar para muchas puertas cuánticas, eliminando la necesidad de construir múltiples puertas físicas distintas, reduciendo enormemente la complejidad de construir una computadora cuántica.
«Normalmente, si quisieras construir este tipo de computadora cuántica, tendrías que tomar potencialmente miles de emisores cuánticos, hacerlos perfectamente indistinguibles y luego integrarlos en un circuito fotónico gigante», dijo Ben Bartlett, candidato a doctorado en física aplicada y autor principal del artículo. «Mientras que con este diseño, solo necesitamos un puñado de componentes relativamente simples, y el tamaño de la máquina no aumenta con el tamaño del programa cuántico que desea ejecutar».
Este diseño notablemente simple requiere solo unos pocos equipos: un cable de fibra óptica, un divisor de haz, un par de interruptores ópticos y una cavidad óptica.
Afortunadamente, estos componentes ya existen e incluso están disponibles comercialmente. También se están perfeccionando continuamente, ya que actualmente se utilizan en aplicaciones distintas de la computación cuántica.
Por ejemplo, las empresas de telecomunicaciones han estado trabajando para mejorar los cables de fibra óptica y los conmutadores ópticos durante años.
“Lo que proponemos aquí es aprovechar el esfuerzo y la inversión que la gente ha realizado para mejorar estos componentes”, dijo Shanhui Fan , profesor de la Escuela de Ingeniería Joseph and Hon Mai Goodman y autor principal del artículo. «No son componentes nuevos específicamente para la computación cuántica».
Computación cuántica con un diseño novedoso
El diseño de los científicos consta de dos secciones principales: un anillo de almacenamiento y una unidad de dispersión. El anillo de almacenamiento, que funciona de manera similar a la memoria en una computadora normal, es un bucle de fibra óptica que contiene múltiples fotones que viajan alrededor del anillo. De manera análoga a los bits que almacenan información en una computadora clásica, en este sistema, cada fotón representa un bit cuántico o «qubit«. La dirección de viaje del fotón alrededor del anillo de almacenamiento determina el valor del qubit, que como un bit, puede ser 0 o 1. Además, debido a que los fotones pueden existir simultáneamente en dos estados a la vez, un fotón individual puede fluir en ambas direcciones a la vez, que representa un valor que es una combinación de 0 y 1 al mismo tiempo.
Los investigadores pueden manipular un fotón dirigiéndolo desde el anillo de almacenamiento a la unidad de dispersión, donde viaja a una cavidad que contiene un solo átomo. El fotón luego interactúa con el átomo, provocando que los dos se «entrelacen», un fenómeno cuántico mediante el cual dos partículas pueden influirse entre sí incluso a grandes distancias. Luego, el fotón regresa al anillo de almacenamiento y un láser altera el estado del átomo. Debido a que el átomo y el fotón están entrelazados, la manipulación del átomo también influye en el estado de su fotón emparejado.
«Al medir el estado del átomo, puede teletransportar las operaciones a los fotones», dijo Bartlett. «Así que solo necesitamos un qubit atómico controlable y podemos usarlo como un proxy para manipular indirectamente todos los demás qubits fotónicos».
Debido a que cualquier puerta lógica cuántica se puede compilar en una secuencia de operaciones realizadas en el átomo, puede, en principio, ejecutar cualquier programa cuántico de cualquier tamaño utilizando solo un qubit atómico controlable. Para ejecutar un programa, el código se traduce en una secuencia de operaciones que dirigen los fotones hacia la unidad de dispersión y manipulan el qubit atómico. Y como puede controlar la forma en que interactúan el átomo y los fotones, el mismo dispositivo puede ejecutar muchos programas cuánticos diferentes.
“Para muchas computadoras cuánticas fotónicas, las puertas son estructuras físicas por las que pasan los fotones, por lo que si desea cambiar el programa que se está ejecutando, a menudo implica reconfigurar físicamente el hardware”, dijo Bartlett. «En este caso, no es necesario cambiar el hardware, solo debe darle a la máquina un conjunto diferente de instrucciones».
El investigador postdoctoral de Stanford, Avik Dutt, también es coautor de este artículo. Fan es profesor de ingeniería eléctrica, miembro de Stanford Bio-X y afiliado del Precourt Institute for Energy . Esta investigación fue financiada por el Departamento de Defensa de EE. UU. Y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU.
Fuente: Standford News Service
