Las computadoras cuánticas de hoy contienen hasta varias docenas de unidades de memoria y procesamiento, los llamados qubits. Severin Daiss, Stefan Langenfeld, y sus colegas del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching han interconectado con éxito dos de estos qubits ubicados en diferentes laboratorios a una computadora cuántica distribuida al vincular los qubits con una fibra óptica de 60 metros de largo. A tal distancia se dieron cuenta de una puerta de lógica cuántica, el bloque de construcción básico de una computadora cuántica. Hace que el sistema sea el primer prototipo mundial de una computadora cuántica distribuida.

Las limitaciones de las arquitecturas qubit anteriores

Las computadoras cuánticas son considerablemente diferentes de las computadoras "binarias" tradicionales:se espera que las futuras realizaciones de ellas realicen fácilmente cálculos específicos para los cuales las computadoras tradicionales tomarían meses o incluso años, por ejemplo, en el campo del cifrado y descifrado de datos. Si bien el rendimiento de las computadoras binarias es el resultado de grandes memorias y ciclos de cómputo rápidos, el éxito de la computadora cuántica se basa en el hecho de que una sola unidad de memoria, un bit cuántico, también llamado "qubit":puede contener superposiciones de diferentes valores posibles al mismo tiempo. Por lo tanto, una computadora cuántica no solo calcula un resultado a la vez, pero en cambio muchos resultados posibles en paralelo. Cuantos más qubits estén interconectados en una computadora cuántica; los cálculos más complejos que puede realizar.

Las operaciones informáticas básicas de una computadora cuántica son puertas de lógica cuántica entre dos qubits. Tal operación cambia, dependiendo del estado inicial de los qubits, sus estados de mecánica cuántica. Para que una computadora cuántica sea superior a una computadora normal para varios cálculos, tendría que interconectar de forma fiable muchas docenas, o incluso miles de qubits para miles de operaciones cuánticas. A pesar de los grandes éxitos, todos los laboratorios actuales todavía están luchando por construir una computadora cuántica tan grande y confiable, dado que cada qubit adicional requerido hace que sea mucho más difícil construir una computadora cuántica en una sola configuración. Se implementan los qubits, por ejemplo, con átomos individuales, elementos superconductores, o partículas ligeras, todos los cuales deben estar perfectamente aislados entre sí y del medio ambiente. Cuantos más qubits estén dispuestos uno al lado del otro, más difícil es aislarlos y controlarlos desde afuera al mismo tiempo.

Línea de datos y unidad de procesamiento combinadas

Una forma de superar las dificultades técnicas en la construcción de computadoras cuánticas se presenta en un nuevo estudio de la revista Ciencias por Severin Daiss, Stefan Langenfeld y colegas del grupo de investigación de Gerhard Rempe en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching. En este trabajo apoyado por el Instituto de Ciencias Fotónicas (Castelldefels, España), el equipo logró conectar dos módulos de qubits a una distancia de 60 metros de tal manera que formaron efectivamente una computadora cuántica básica con dos qubits. "Al otro lado de esta distancia, realizamos una operación de computación cuántica entre dos configuraciones de qubit independientes en diferentes laboratorios, Daiss enfatiza. Esto permite la posibilidad de fusionar computadoras cuánticas más pequeñas en una unidad de procesamiento conjunta.

En el pasado, se ha logrado simplemente acoplar qubits distantes para generar un entrelazamiento entre ellos, pero ahora, la conexión también se puede utilizar para cálculos cuánticos. Para este propósito, los investigadores emplearon módulos que consisten en un solo átomo como un qubit que se coloca en medio de dos espejos. Entre estos módulos, envían un solo quanta de luz, un fotón, que se transporta en la fibra óptica. Este fotón luego se entrelaza con los estados cuánticos de los qubits en los diferentes módulos. Después, el estado de uno de los qubits cambia de acuerdo con el estado medido del "fotón ancilla, “Realización de una operación CNOT de mecánica cuántica con una fidelidad del 80 por ciento. El siguiente paso sería conectar más de dos módulos y alojar más qubits en los módulos individuales.

Computadoras cuánticas de mayor rendimiento a través de la computación distribuida

El líder del equipo y director del instituto, Gerhard Rempe, cree que el resultado permitirá avanzar aún más en la tecnología:"Nuestro esquema abre una nueva ruta de desarrollo para la computación cuántica distribuida". Podría habilitar, por ejemplo, para construir una computadora cuántica distribuida que consta de muchos módulos con pocos qubits que están interconectados con el método recién introducido. Este enfoque podría eludir la limitación de las computadoras cuánticas existentes para integrar más qubits en una sola configuración y, por lo tanto, podría permitir sistemas más potentes.