En el mundo de la computación cuántica, la interacción lo es todo.

Para que las computadoras funcionen en absoluto, los bits, los unos y los ceros que componen la información digital, deben poder interactuar y transferir datos para su procesamiento. Lo mismo ocurre con los bits cuánticos, o qubits, que componen las computadoras cuánticas.

Pero esa interacción crea un problema:en cualquier sistema en el que los qubits interactúan entre sí, también tienden a querer interactuar con su entorno, resultando en qubits que rápidamente pierden su naturaleza cuántica.

Para solucionar el problema, Escuela de Graduados en Artes y Ciencias Ph.D. El estudiante Ruffin Evans recurrió a partículas conocidas principalmente por su falta de interacciones:fotones.

Trabajando en el laboratorio de Mikhail Lukin, el Profesor de Física George Vasmer Leverett y codirector de la Iniciativa de Ciencia e Ingeniería Cuántica, Evans es el autor principal de un estudio, descrito en la revista Ciencias , que demuestra un método para diseñar una interacción entre dos qubits usando fotones.

"No es difícil diseñar un sistema con interacciones muy sólidas, pero las interacciones fuertes también pueden causar ruido e interferencia a través de la interacción con el medio ambiente, "Dijo Evans." Así que tienes que hacer que el medio ambiente sea extremadamente limpio. Este es un gran desafío. Estamos operando en un régimen completamente diferente. Usamos fotones, que tienen interacciones débiles con todo ".

Evans y sus colegas comenzaron creando dos qubits utilizando centros de vacantes de silicio (impurezas a escala atómica en diamantes) y colocándolos dentro de un dispositivo a nanoescala conocido como cavidad de cristal fotónico. que se comporta como dos espejos enfrentados.

"La probabilidad de que la luz interactúe con un átomo en una sola pasada puede ser muy, muy pequeña, pero una vez que la luz rebota alrededor de las 10, 000 veces, es casi seguro que sucederá, ", dijo." Entonces uno de los átomos puede emitir un fotón, y rebotará entre estos espejos, y en algún momento, el otro átomo absorberá el fotón ".

La transferencia de ese fotón no se realiza en un solo sentido, aunque.

"El fotón se intercambia varias veces entre los dos qubits, "Dijo Evans." Es como si estuvieran jugando a la papa caliente; los qubits lo pasan de un lado a otro ".

Si bien la noción de crear interacción entre qubits no es nueva (los investigadores han logrado la hazaña en varios otros sistemas), hay dos factores que hacen que el nuevo estudio sea único:Dijo Evans.

"El avance clave es que estamos operando con fotones en frecuencias ópticas, que suelen interactuar de forma muy débil, ", dijo." Esa es exactamente la razón por la que usamos fibra óptica para transmitir datos:se puede enviar luz a través de una fibra larga básicamente sin atenuación. Así que nuestra plataforma es especialmente interesante para la computación cuántica de larga distancia o las redes cuánticas ".

Y aunque el sistema funciona solo a temperaturas ultrabajas, Evans dijo que es menos complejo que los enfoques que requieren elaborados sistemas de enfriamiento por láser y trampas ópticas para mantener los átomos en su lugar. Debido a que el sistema está construido a nanoescala, él agregó, abre la posibilidad de que muchos dispositivos puedan alojarse en un solo chip.

"Aunque este tipo de interacción se ha realizado antes, no se ha realizado en sistemas de estado sólido en el dominio óptico, ", dijo." Nuestros dispositivos se construyen utilizando técnicas de fabricación de semiconductores. Es fácil imaginar el uso de estas herramientas para escalar a muchos más dispositivos en un solo chip ".

Evans prevé dos direcciones principales para la investigación futura. El primero implica desarrollar formas de ejercer control sobre los qubits y construir un conjunto completo de puertas cuánticas que les permitiría funcionar como una computadora cuántica viable.

"La otra dirección es decir que ya podemos construir estos dispositivos, y tomar información, leerlo en el dispositivo y colocarlo en una fibra óptica, así que pensemos en cómo escalamos esto y realmente construimos una red cuántica real a distancias de escala humana, ", dijo." Estamos imaginando esquemas para construir vínculos entre dispositivos en todo el laboratorio o en todo el campus utilizando los ingredientes que ya tenemos, o el uso de dispositivos de próxima generación para realizar una red cuántica a pequeña escala ".

Por último, Evans dijo:el trabajo podría tener impactos de gran alcance en el futuro de la informática.

"Todo, desde una Internet cuántica hasta los centros de datos cuánticos, requerirá enlaces ópticos entre sistemas cuánticos, y esa es la pieza del rompecabezas para la que nuestro trabajo se adapta muy bien, " él dijo.

Esta historia se publica por cortesía de Harvard Gazette, Periódico oficial de la Universidad de Harvard. Para noticias universitarias adicionales, visite Harvard.edu.