Intercambio De luz

Una puerta cuántica entre los átomos y los fotones puede ayudar a ampliar los ordenadores cuánticos

Los ordenadores cuánticos del futuro podrán realizar cálculos que no se pueden hacer en los ordenadores actuales. Estos podrán incluir la capacidad de descifrar la encriptación que se usa actualmente para transacciones electrónicas seguras, así como los medios para resolver eficazmente problemas difíciles de manejar en los que la cantidad de posibles soluciones aumenta exponencialmente. La investigación en el laboratorio de óptica cuántica del Prof. Barak Dayan en el Instituto Weizmann de Ciencias puede llevar el desarrollo de dichos ordenadores un paso más al proporcionar las "puertas cuánticas" necesarias para comunicarse dentro y entre dichos ordenadores cuánticos.

En contraste con los bits electrónicos actuales que solo pueden existir en uno de dos estados, cero o uno, los bits cuánticos conocidos como qubits pueden estar también en estados que corresponden a cero y uno al mismo tiempo. Esto se conoce como superposición cuántica, y le da a los qubits una ventaja ya que un ordenador fabricado con ellos podría realizar numerosos cálculos en paralelo. 

 Solo hay un truco: La condición del estado de superposición cuántica solo puede existir mientras el mundo exterior no lo observe ni lo mida de ninguna manera; de lo contrario, todos los estados posibles se colapsan en uno solo. Esto lleva a requisitos contradictorios: Para que los qubits existan en varios estados a la vez, necesitan estar bien aislados, pero al mismo tiempo necesitan interactuar y comunicarse con muchos otros qubits. Esta es la razón de que, aunque varios laboratorios y empresas de todo el mundo ya han probado ordenadores cuánticos a pequeña escala con algunos qubits, el desafío de ampliarlos a la escala deseada de millones de qubits sigue siendo un gran obstáculo científico y tecnológico.

Una solución prometedora es el uso de módulos aislados con cantidades pequeñas y manejables de qubits, que pueden comunicarse entre ellos cuando sea necesario con enlaces ópticos. La información almacenada en un qubit de material (p. ej., un solo átomo o ion) se transferiría luego a un "qubit volador", una única partícula de luz llamada fotón. Este fotón se puede enviar a través de fibras ópticas a un qubit material lejano y transferir su información sin permitir que el entorno detecte la naturaleza de esa información. El desafío de crear un sistema de este tipo es que los fotones individuales transportan cantidades extremadamente pequeñas de energía, y los sistemas minúsculos que comprenden qubits materiales generalmente no interactúan fuertemente con dicha luz débil.   

El laboratorio de óptica cuántica de Dayan en el Instituto Weizmann de Ciencias es uno de los pocos grupos en todo el mundo que se centra exclusivamente en afrontar este desafío científico. Su configuración experimental tiene átomos individuales unidos a resonadores de sílice a escala micrométrica únicos en chips; y los fotones se envían directamente a estos a través de fibras ópticas especiales. En experimentos anteriores, Dayan y su grupo habían demostrado la capacidad de su sistema para funcionar como un interruptor activado de fotón único, y también una manera de "recoger" un solo fotón de un rayo de luz. En el presente estudio, publicado en Nature Physics, Dayan y su equipo lograron, por primera vez, crear una puerta lógica en la que un fotón y un átomo intercambiaron automáticamente la información que transportaban.

"El fotón lleva un qubit, y el átomo es un segundo qubit", dijo Dayan. "Cada vez que el fotón y el átomo se encuentran intercambian los qubits entre ellos automática y simultáneamente, y después el fotón continúa su camino con la nueva información. En la mecánica cuántica, en la que la información no se puede copiar ni borrar, este intercambio de información es, de hecho, la unidad básica de lectura y escritura, la puerta "nativa" de la comunicación cuántica".

Este tipo de puerta lógica, una puerta SWAP, se puede usar para intercambiar qubits tanto dentro como entre ordenadores cuánticos. Como esta puerta no necesita campos de control externo o sistema de gestión, puede permitir la construcción del equivalente cuántico de las redes de integración (VLSI) a muy gran escala. "La puerta SWAP que demostramos se puede aplicar a la comunicación fotónica entre todos los tipos de qubits basados en materia, no solo los átomos", dijo Dayan. "Por lo tanto, creemos que se convertirá en un elemento esencial en la próxima generación de sistemas de computación cuántica". 

La investigación del Prof. Barak Dayan está respaldada por el Crown Photonics Center; y las Fundaciones Edmond de Rothschild.