Los investigadores del MIT que utilizan bits cuánticos superconductores conectados a una línea de transmisión de microondas han demostrado cómo los qubits pueden generar fotones a pedido. o partículas de luz, necesario para la comunicación entre procesadores cuánticos.

El avance es un paso importante hacia el logro de las interconexiones que permitirían a un sistema de computación cuántica modular realizar operaciones a tasas exponencialmente más rápidas que las que pueden lograr las computadoras clásicas.

"La computación cuántica modular es una técnica para alcanzar la computación cuántica a escala al compartir la carga de trabajo en múltiples nodos de procesamiento, "dice Bharath Kannan, Becario graduado del MIT y primer autor de un artículo sobre este tema publicado hoy en Avances de la ciencia . "Estos nodos, sin embargo, generalmente no están coubicados, por lo que necesitamos poder comunicar información cuántica entre ubicaciones distantes ".

En las computadoras clásicas, Los cables se utilizan para enrutar información de un lado a otro a través de un procesador durante el cálculo. En una computadora cuántica, la información en sí es mecánica cuántica y frágil, requiriendo nuevas estrategias para procesar y comunicar información simultáneamente.

"Los qubits superconductores son una tecnología líder en la actualidad, pero generalmente solo admiten interacciones locales (vecino más cercano o qubits muy cercanos). La pregunta es cómo conectarse a qubits que se encuentran en ubicaciones distantes, "dice William Oliver, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática, Miembro del Laboratorio Lincoln del MIT, director del Centro de Ingeniería Cuántica, y director asociado del Laboratorio de Investigación de Electrónica. "Necesitamos interconexiones cuánticas, idealmente basado en guías de ondas de microondas que pueden guiar información cuántica de un lugar a otro ".

Esa comunicación puede ocurrir a través de la línea de transmisión de microondas, o guía de ondas, como las excitaciones almacenadas en los qubits generan pares de fotones, que se emiten en la guía de ondas y luego viajan a dos nodos de procesamiento distantes. Se dice que los fotones idénticos están "entrelazados, "actuando como un solo sistema. A medida que viajan a nodos de procesamiento distantes, pueden distribuir ese entrelazamiento a través de una red cuántica.

"Generamos los fotones entrelazados a pedido utilizando los qubits y luego liberamos el estado entrelazado a la guía de ondas con una eficiencia muy alta, esencialmente unidad, "dice Oliver.

La investigación reportada en el Avances de la ciencia el papel utiliza una técnica relativamente simple, Kannan dice.

"Nuestro trabajo presenta una nueva arquitectura para generar fotones que se entrelazan espacialmente de una manera muy simple, usando solo una guía de ondas y algunos qubits, que actúan como emisores fotónicos, ", dice Kannan." El entrelazamiento entre los fotones se puede transferir a los procesadores para su uso en protocolos de interconexión o comunicación cuántica ".

Si bien los investigadores dijeron que aún no han implementado esos protocolos de comunicación, su investigación en curso apunta en esa dirección.

"Aún no realizamos la comunicación entre procesadores en este trabajo, sino que mostró cómo podemos generar fotones que son útiles para la comunicación e interconexión cuántica, "Kannan dice.

Trabajo anterior de Kannan, Oliver, y sus colegas introdujeron una arquitectura de electrodinámica cuántica de guía de ondas utilizando qubits superconductores que son esencialmente un tipo de átomo gigante artificial. Esa investigación demostró cómo una arquitectura de este tipo puede realizar cálculos cuánticos de bajo error y compartir información cuántica entre procesadores. Esto se logra ajustando la frecuencia de los qubits para sintonizar la fuerza de interacción qubit-guía de ondas de modo que los frágiles qubits puedan protegerse de la decoherencia inducida por guías de ondas para realizar operaciones de qubit de alta fidelidad. y luego reajustar la frecuencia de los qubits para que los qubits puedan liberar su información cuántica en la guía de ondas en forma de fotones.

Este artículo presenta la capacidad de generación de fotones de la arquitectura de electrodinámica cuántica de guías de ondas, mostrando que los qubits se pueden usar como emisores cuánticos para la guía de ondas. Los investigadores demostraron que la interferencia cuántica entre los fotones emitidos en la guía de ondas genera entrelazados, fotones itinerantes que viajan en direcciones opuestas y se pueden utilizar para la comunicación a larga distancia entre procesadores cuánticos.

La generación de fotones entrelazados espacialmente en sistemas ópticos se logra típicamente utilizando fotodetectores y conversión descendente paramétrica espontánea. pero el entrelazamiento generado que se logra de esa manera es generalmente aleatorio y, por lo tanto, menos útil para permitir la comunicación bajo demanda de información cuántica en un sistema distribuido.

"La modularidad es un concepto clave de cualquier sistema extensible, ", dice Oliver." Nuestro objetivo aquí es demostrar los elementos de las interconexiones cuánticas que deberían ser útiles en los futuros procesadores cuánticos ".