Los investigadores del ejército predicen que los circuitos de computadora cuántica que ya no necesitarán temperaturas extremadamente frías para funcionar podrían convertirse en una realidad después de aproximadamente una década.

Durante años, La tecnología cuántica de estado sólido que opera a temperatura ambiente parecía remota. Si bien la aplicación de cristales transparentes con no linealidades ópticas surgió como la ruta más probable hacia este hito, la plausibilidad de tal sistema siempre estuvo en duda.

Ahora, Los científicos del ejército han confirmado oficialmente la validez de este enfoque. Dr. Kurt Jacobs, del Laboratorio de Investigación del Ejército del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de EE. UU., trabajando junto al Dr. Mikkel Heuck y el Prof.Dirk Englund, del Instituto de Tecnología de Massachusetts, se convirtió en el primero en demostrar la viabilidad de una puerta lógica cuántica compuesta por circuitos fotónicos y cristales ópticos.

"Si los dispositivos futuros que utilizan tecnologías cuánticas requerirán enfriamiento a temperaturas muy frías, entonces esto los encarecerá, voluminoso, y hambrientos de poder, ", Dijo Heuck." Nuestra investigación está dirigida a desarrollar futuros circuitos fotónicos que serán capaces de manipular el entrelazamiento requerido para los dispositivos cuánticos a temperatura ambiente ".

La tecnología cuántica ofrece una gama de futuros avances en informática, comunicaciones y teledetección.

Para realizar cualquier tipo de tarea, Las computadoras clásicas tradicionales trabajan con información que está completamente determinada. La información se almacena en muchos bits, cada uno de los cuales puede estar encendido o apagado. Una computadora clásica cuando se le da una entrada especificada por un número de bits, puede procesar esta entrada para producir una respuesta, que también se da como un número de bits. Una computadora clásica procesa una entrada a la vez.

A diferencia de, Las computadoras cuánticas almacenan información en qubits que pueden estar en un estado extraño en el que están encendidos y apagados al mismo tiempo. Esto permite que una computadora cuántica explore las respuestas a muchas entradas al mismo tiempo. Si bien no puede generar todas las respuestas a la vez, puede generar relaciones entre estas respuestas, lo que le permite resolver algunos problemas mucho más rápido que una computadora clásica.

Desafortunadamente, Uno de los mayores inconvenientes de los sistemas cuánticos es la fragilidad de los extraños estados de los qubits. La mayor parte del hardware potencial para la tecnología cuántica debe mantenerse a temperaturas extremadamente frías, cercanas a cero kelvin, para evitar que los estados especiales se destruyan al interactuar con el entorno de la computadora.

"Cualquier interacción que tenga un qubit con cualquier otra cosa en su entorno comenzará a distorsionar su estado cuántico, ", Dijo Jacobs." Por ejemplo, si el ambiente es un gas de partículas, luego, manteniéndolo muy frío, las moléculas de gas se mueven lentamente, por lo que no chocan tanto contra los circuitos cuánticos ".

Los investigadores han dirigido varios esfuerzos para resolver este problema, pero aún no se ha encontrado una solución definitiva. En este momento, Los circuitos fotónicos que incorporan cristales ópticos no lineales han surgido actualmente como la única ruta factible hacia la computación cuántica con sistemas de estado sólido a temperatura ambiente.

"Los circuitos fotónicos son un poco como circuitos eléctricos, excepto que manipulan la luz en lugar de las señales eléctricas, ", Dijo Englund." Por ejemplo, Podemos hacer canales en un material transparente por el que viajarán los fotones, un poco como señales eléctricas que viajan a lo largo de cables ".

A diferencia de los sistemas cuánticos que utilizan iones o átomos para almacenar información, Los sistemas cuánticos que utilizan fotones pueden evitar la limitación de la temperatura fría. Sin embargo, los fotones aún deben interactuar con otros fotones para realizar operaciones lógicas. Aquí es donde entran en juego los cristales ópticos no lineales.

Los investigadores pueden diseñar cavidades en los cristales que atrapan temporalmente los fotones en su interior. A través de este método, el sistema cuántico puede establecer dos posibles estados diferentes que un qubit puede contener:una cavidad con un fotón (encendido) y una cavidad sin un fotón (apagado). Estos qubits pueden formar puertas lógicas cuánticas, que crean el marco para los estados extraños.

En otras palabras, los investigadores pueden usar el estado indeterminado de si un fotón está o no en una cavidad de cristal para representar un qubit. Las puertas lógicas actúan sobre dos qubits juntos, y puede crear un "entrelazamiento cuántico" entre ellos. Este entrelazamiento se genera automáticamente en una computadora cuántica, y se requiere para enfoques cuánticos para aplicaciones en detección.

Sin embargo, los científicos basaron la idea de hacer puertas lógicas cuánticas utilizando cristales ópticos no lineales completamente en la especulación, hasta este punto. Si bien mostró una inmensa promesa, Quedaban dudas sobre si este método podría incluso conducir a puertas lógicas prácticas.

La aplicación de cristales ópticos no lineales había permanecido en duda hasta que los investigadores del laboratorio del Ejército y el MIT presentaron una forma de realizar una puerta lógica cuántica con este enfoque utilizando componentes de circuitos fotónicos establecidos.

"El problema era que si uno tiene un fotón viajando en un canal, el fotón tiene un 'paquete de ondas' con una forma determinada, "Dijo Jacobs." Para una puerta cuántica, necesita que los paquetes de ondas de fotones permanezcan iguales después de la operación de la puerta. Dado que las no linealidades distorsionan los paquetes de ondas, la pregunta era si se podía cargar el paquete de ondas en cavidades, hacer que interactúen a través de una no linealidad, y luego emitir los fotones nuevamente para que tengan los mismos paquetes de ondas con los que comenzaron ".

Una vez que diseñaron la puerta lógica cuántica, Los investigadores realizaron numerosas simulaciones por computadora del funcionamiento de la puerta para demostrar que podía, En teoria, funcionar adecuadamente. La construcción real de una puerta lógica cuántica con este método primero requerirá mejoras significativas en la calidad de ciertos componentes fotónicos. dijeron los investigadores.

"Sobre la base del progreso logrado durante la última década, esperamos que se necesiten unos diez años para que se realicen las mejoras necesarias, "Dijo Heuck." Sin embargo, el proceso de cargar y emitir un paquete de ondas sin distorsión es algo que deberíamos poder realizar con la tecnología experimental actual, y ese es un experimento en el que trabajaremos a continuación ".

Cartas de revisión física publicó los hallazgos del equipo en un artículo revisado por pares el 20 de abril.