Los científicos de Australia han demostrado por primera vez la protección de estados correlacionados entre fotones emparejados (paquetes de energía luminosa) utilizando el intrigante concepto físico de topología. Este avance experimental abre un camino para construir un nuevo tipo de bit cuántico, los componentes básicos de las computadoras cuánticas.

La investigación, desarrollado en estrecha colaboración con colegas israelíes, se publica hoy en la prestigiosa revista, Ciencias , un reconocimiento de la importancia fundamental de este trabajo.

"Ahora podemos proponer una vía para construir estados robustos entrelazados para puertas lógicas utilizando pares de fotones protegidos, ", dijo la autora principal, la Dra. Andrea Blanco-Redondo, del Nano Institute de la Universidad de Sydney.

Las puertas lógicas son los interruptores necesarios para operar algoritmos escritos para computadoras cuánticas. Los conmutadores computacionales clásicos están en formas binarias simples de cero o uno. Los interruptores cuánticos existen en un estado de "superposición" que combinan cero y uno.

Proteger la información cuántica el tiempo suficiente para que las máquinas cuánticas puedan realizar cálculos útiles es uno de los mayores desafíos de la física moderna. Las computadoras cuánticas útiles requerirán millones o miles de millones de qubits para procesar la información. Hasta aquí, los mejores dispositivos experimentales tienen alrededor de 20 qubits.

Para liberar el potencial de la tecnología cuántica, los científicos necesitan encontrar una manera de proteger la superposición entrelazada de bits cuánticos, o qubits, a nanoescala. Los intentos de lograr esto utilizando superconductores e iones atrapados se han mostrado prometedores, pero son muy susceptibles a las interferencias electromagnéticas, haciéndolos endiabladamente difíciles de escalar a máquinas útiles.

El uso de fotones (paquetes de energía luminosa) en lugar de electrones ha sido una alternativa propuesta sobre la cual construir puertas lógicas que puedan calcular algoritmos cuánticos.

Fotones, a diferencia de los electrones, están bien aislados del entorno térmico y electromagnético. Sin embargo, el escalado de dispositivos cuánticos basados ​​en qubits fotónicos se ha limitado debido a la pérdida de dispersión y otros errores; hasta ahora.

"Lo que hemos hecho es desarrollar una estructura reticular novedosa de nanocables de silicio, creando una simetría particular que proporciona una robustez inusual a la correlación de los fotones. La simetría ayuda a crear y guiar estos estados correlacionados, conocidos como 'modos de borde', "dijo el Dr. Blanco-Redondo, el becario de investigación Messel en la Facultad de Física.

"Esta solidez proviene de la topología subyacente, una propiedad global de la red que permanece inalterada contra el desorden ".

La correlación que esto produce es necesaria para construir estados entrelazados para puertas cuánticas.

Canales o guías de ondas, hecho con nanocables de silicio de solo 500 nanómetros de ancho, estaban alineados en pares con un deliberado defecto de simetría en el medio, creando dos estructuras de celosía con diferentes topologías y un 'borde' intermedio.

Esta topología permite la creación de modos especiales en los que los fotones pueden emparejarse, llamados 'modos de borde'. Estos modos permiten que la información transportada por los fotones emparejados sea transportada de una manera robusta que de otro modo se habría dispersado y perdido a través de una red uniforme.

El Dr. Blanco-Redondo diseñó y realizó el experimento en el Sydney Nanocience Hub con el Dr. Bryn Bell, anteriormente en la Universidad de Sydney y ahora en la Universidad de Oxford.

Los fotones fueron creados por alta intensidad, pulsos láser ultracortos, la misma tecnología subyacente por la que Donna Strickland y Gerard Mourou recibieron el Premio Nobel de Física 2018.

Esta investigación es la última en el florecimiento de descubrimientos en la última década sobre los estados topológicos de la materia. Estas características topológicas ofrecen protección para la información clásica y cuántica en campos tan diversos como el electromagnetismo, materia Condensada, acústica y átomos fríos.

Laboratorios cuánticos de Microsoft, incluido el de Sydney, están persiguiendo el desarrollo de qubits basados ​​en electrones donde la información cuántica está protegida topológicamente mediante el anudado de cuasipartículas conocidas como fermiones de Majorana. Esto es un poco como trenzar estados de medio electrón inducidos a través de la interacción de superconductores y metales semiconductores.

Los estados topológicamente protegidos se han demostrado previamente para fotones individuales.

Sin embargo, El Dr. Blanco-Redondo dijo:"Los sistemas de información cuántica se basarán en estados multifotónicos, destacando la importancia de este descubrimiento para un mayor desarrollo ".

Ella dijo que el próximo paso será mejorar la protección del entrelazamiento de fotones para crear robustos, Puertas lógicas cuánticas escalables.

Profesor Stephen Bartlett, un físico cuántico teórico en Sydney Nano que no está relacionado con el estudio, dijo:“El resultado del Dr. Blanco-Redondo es emocionante en un nivel fundamental porque muestra la existencia de modos protegidos adheridos al límite de un material ordenado topológicamente.

"Lo que significa para la computación cuántica no está claro, ya que aún es temprano. Pero la esperanza es que la protección ofrecida por estos modos de borde podría usarse para proteger a los fotones de los tipos de ruido que son problemáticos para las aplicaciones cuánticas".