Científicos de la Universidad de Bristol y la Universidad Técnica de Dinamarca han encontrado una nueva y prometedora forma de construir la próxima generación de simuladores cuánticos que combinan microchips de luz y silicio.

En la hoja de ruta para desarrollar máquinas cuánticas capaces de competir y superar las supercomputadoras clásicas en la resolución de problemas específicos, la comunidad científica se enfrenta a dos desafíos tecnológicos principales.

El primero es la capacidad de construir grandes circuitos cuánticos capaces de procesar la información a gran escala. y el segundo es la capacidad de crear una gran cantidad de partículas cuánticas únicas que pueden codificar y propagar la información cuántica a través de dichos circuitos.

Ambos requisitos deben satisfacerse para desarrollar una tecnología cuántica avanzada capaz de superar las máquinas clásicas.

Una plataforma muy prometedora para abordar estos desafíos es la fotónica cuántica de silicio. En esta tecnología, la información transportada por fotones, una sola partícula de luces, se genera y procesa en microchips de silicio.

Estos dispositivos guían y manipulan la luz a nanoescala mediante guías de ondas integradas, el análogo de las fibras ópticas a escala nanométrica.

Crucialmente, la fabricación de chips fotónicos requiere las mismas técnicas que se utilizan para fabricar microchips electrónicos en la industria de los semiconductores, haciendo posible la fabricación de circuitos cuánticos a escala masiva.

En los laboratorios de Tecnología de Ingeniería Cuántica (QET) de la Universidad de Bristol, el equipo ha demostrado recientemente chips fotónicos de silicio que incorporan interferómetros cuánticos compuestos por casi mil componentes ópticos, órdenes de magnitud superiores a lo que era posible hace apenas unos años.

Sin embargo, la gran pregunta que quedó sin respuesta fue si estos dispositivos también eran capaces de producir una cantidad de fotones lo suficientemente grande como para realizar tareas útiles de computación cuántica. La investigación dirigida por Bristol, publicado hoy en la revista Física de la naturaleza , demuestra que esta pregunta tiene una respuesta positiva.

Al explorar los desarrollos tecnológicos recientes en la fotónica cuántica de silicio, el equipo ha demostrado que incluso los circuitos fotónicos de silicio a pequeña escala pueden generar y procesar una cantidad de fotones sin precedentes en la fotónica integrada.

De hecho, debido a imperfecciones en el circuito como pérdidas de fotones, Las demostraciones anteriores en fotónica integrada se han limitado principalmente a experimentos con solo dos fotones generados y procesados ​​en el chip, y solo el año pasado, Se informaron experimentos de cuatro fotones utilizando circuitos complejos.

En el trabajo, mejorando el diseño de cada componente integrado, el equipo muestra que incluso circuitos simples pueden producir experimentos con hasta ocho fotones, el doble que el récord anterior en fotónica integrada. Es más, su análisis muestra que al aumentar la complejidad del circuito, que es una gran capacidad de la plataforma de silicio, es posible realizar experimentos con más de 20 fotones, un régimen en el que se espera que las máquinas cuánticas fotónicas superen a las mejores supercomputadoras clásicas.

El estudio también investiga posibles aplicaciones para estos procesadores cuánticos fotónicos a corto plazo que entran en un régimen de ventaja cuántica.

En particular, reconfigurando el tipo de no linealidad óptica en el chip, demostraron que los chips de silicio se pueden utilizar para realizar una variedad de tareas de simulación cuántica, conocidos como problemas de muestreo de bosones.

Para algunos de estos protocolos, por ejemplo, el muestreo del bosón gaussiano:esta nueva demostración es una primicia mundial.

El equipo también demostró que, utilizando tales protocolos, Los dispositivos cuánticos de silicio podrán resolver problemas de relevancia industrial. En particular, muestran cómo el problema químico de encontrar las transiciones vibratorias en moléculas que experimentan una transformación electrónica se puede simular en nuestro tipo de dispositivos utilizando el muestreo de bosón gaussiano.

El autor principal, el Dr. Stefano Paesani, del Centro de Nanociencia e Información Cuántica de la Universidad de Bristol, dijo:“Nuestros hallazgos muestran que los simuladores cuánticos fotónicos que superan a las supercomputadoras clásicas son una perspectiva realista a corto plazo para la plataforma de fotónica cuántica de silicio.

"El desarrollo de tales máquinas cuánticas puede tener impactos potencialmente revolucionarios en campos de relevancia industrial como la química, diseño molecular, inteligencia artificial, y análisis de macrodatos.

"Las aplicaciones incluyen el diseño de mejores productos farmacéuticos y la ingeniería de estados moleculares capaces de generar energía de manera más eficiente".

El coautor, el Dr. Raffaele Santagati, agregó:"Los resultados obtenidos nos hacen confiar en que el hito de las máquinas cuánticas más rápido que cualquier computadora clásica actual está al alcance de la plataforma de fotónica cuántica integrada.

"Si bien es cierto que también otras tecnologías tienen la capacidad de alcanzar ese régimen, por ejemplo, iones atrapados o sistemas superconductores, el enfoque fotónico tiene la ventaja única de tener las aplicaciones a corto plazo que investigamos. El camino fotónico aunque peligroso, Está establecido, y vale la pena seguirlo ".

Profesor Anthony Laing, Profesor asociado de física en Bristol, supervisó el proyecto. Dijo:"Al cuadriplicar el número de fotones generados y procesados ​​en el mismo chip, el equipo ha preparado el escenario para ampliar los simuladores cuánticos a decenas de fotones donde las comparaciones de rendimiento con el hardware informático estándar actual se vuelven significativas ".