El procesamiento de información cuántica promete ser mucho más rápido y seguro de lo que pueden lograr las supercomputadoras actuales. pero aún no existe porque sus componentes básicos, qubits, son notoriamente inestables.

Los investigadores de la Universidad de Purdue están entre los primeros en construir una puerta, lo que podría ser una versión cuántica de un transistor. utilizado en las computadoras de hoy para procesar información, con qudits. Mientras que los qubits solo pueden existir en superposiciones de estados 0 y 1, los qudits existen en varios estados, como 0 y 1 y 2. Más estados significan que se pueden codificar y procesar más datos.

La puerta no solo sería intrínsecamente más eficiente que las puertas qubit, pero también más estable porque los investigadores empaquetaron los qudits en fotones, partículas de luz que su entorno no perturba fácilmente. Los hallazgos de los investigadores aparecen en npj Quantum Information.

La puerta también crea uno de los estados entrelazados más grandes de partículas cuánticas hasta la fecha; en este caso, fotones. El entrelazamiento es un fenómeno cuántico que permite que las mediciones de una partícula afecten automáticamente a las mediciones de otra partícula. traer la capacidad de hacer que la comunicación entre las partes sea irrompible o de teletransportar información cuántica de un punto a otro, por ejemplo.

Cuanto más entrelazamiento haya en el llamado espacio de Hilbert, el reino donde puede tener lugar el procesamiento de información cuántica, mejor.

Los enfoques fotónicos anteriores pudieron alcanzar 18 qubits codificados en seis fotones entrelazados en el espacio de Hilbert. Los investigadores de Purdue maximizaron el entrelazamiento con una puerta utilizando cuatro qudits, el equivalente a 20 qubits, codificados en solo dos fotones.

En la comunicación cuántica, menos es más. "Los fotones son caros en el sentido cuántico porque son difíciles de generar y controlar, por lo que es ideal incluir la mayor cantidad de información posible en cada fotón, "dijo Poolad Imany, investigador postdoctoral en la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática de Purdue.

El equipo logró más entrelazamiento con menos fotones al codificar un qudit en el dominio del tiempo y el otro en el dominio de la frecuencia de cada uno de los dos fotones. Construyeron una puerta usando los dos qudits codificados en cada fotón, para un total de cuatro qudits en 32 dimensiones, o posibilidades, tanto de tiempo como de frecuencia. Cuantas más dimensiones, el más enredo.

Comenzando con dos fotones entrelazados en el dominio de la frecuencia y luego operando la puerta para entrelazar los dominios de tiempo y frecuencia de cada fotón, se generan cuatro qudits completamente entrelazados, que ocupan un espacio de Hilbert de 1, 048, 576 dimensiones, o 32 elevado a la cuarta potencia.

Típicamente, Las puertas construidas en plataformas fotónicas para manipular la información cuántica codificada en fotones separados funcionan solo algunas veces porque los fotones, naturalmente, no interactúan muy bien entre sí. lo que hace que sea extremadamente difícil manipular el estado de un fotón en función del estado de otro. Al codificar información cuántica en los dominios de tiempo y frecuencia de los fotones, Los investigadores de Purdue hicieron que el funcionamiento de la puerta cuántica fuera determinista en lugar de probabilístico.

El equipo implementó la puerta con un conjunto de equipos estándar listos para usar que se utilizan a diario en la industria de las comunicaciones ópticas.

"Esta puerta nos permite manipular la información de forma predecible y determinista, lo que significa que podría realizar las operaciones necesarias para ciertas tareas de procesamiento de información cuántica, "dijo Andrew Weiner, Profesor Distinguido de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Familia Scifres de Purdue, cuyo laboratorio se especializa en óptica ultrarrápida.

Próximo, El equipo quiere utilizar la puerta en tareas de comunicaciones cuánticas, como la teletransportación cuántica de alta dimensión, así como para realizar algoritmos cuánticos en aplicaciones como el aprendizaje de máquinas cuánticas o la simulación de moléculas.