El secreto para construir computadoras cuánticas superconductoras con una potencia de procesamiento masiva puede ser una tecnología de telecomunicaciones común:fibra óptica.

Los físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han medido y controlado un bit cuántico superconductor (qubit) utilizando fibra conductora de luz en lugar de cables eléctricos metálicos. allanando el camino para empaquetar un millón de qubits en una computadora cuántica en lugar de solo unos pocos miles. La demostración se describe en la edición del 25 de marzo de Naturaleza .

Los circuitos superconductores son una tecnología líder para fabricar computadoras cuánticas porque son confiables y fáciles de producir en masa. Pero estos circuitos deben operar a temperaturas criogénicas, y los esquemas para conectarlos a dispositivos electrónicos a temperatura ambiente son complejos y propensos a sobrecalentar los qubits. Una computadora cuántica universal, capaz de solucionar cualquier tipo de problema, se espera que necesite alrededor de 1 millón de qubits. Los criostatos convencionales (refrigeradores de dilución superfríos) con cableado metálico solo pueden soportar miles como máximo.

Fibra óptica, la columna vertebral de las redes de telecomunicaciones, tiene un núcleo de vidrio o plástico que puede transportar un gran volumen de señales luminosas sin conducir el calor. Pero las computadoras cuánticas superconductoras usan pulsos de microondas para almacenar y procesar información. Por lo tanto, la luz debe convertirse precisamente en microondas.

Para resolver este problema, Los investigadores del NIST combinaron la fibra con algunos otros componentes estándar que convierten, transmitir y medir la luz al nivel de partículas individuales, o fotones, que luego podría convertirse fácilmente en microondas. El sistema funcionó tan bien como el cableado de metal y mantuvo los frágiles estados cuánticos del qubit.

"Creo que este avance tendrá un gran impacto porque combina dos tecnologías totalmente diferentes, fotónica y qubits superconductores, para solucionar un problema muy importante, "La fibra óptica también puede transportar muchos más datos en un volumen mucho menor que el cable convencional", dijo el físico del NIST John Teufel.

Normalmente, Los investigadores generan pulsos de microondas a temperatura ambiente y luego los envían a través de cables metálicos coaxiales a qubits superconductores mantenidos criogénicamente. La nueva configuración del NIST utilizó una fibra óptica en lugar de metal para guiar las señales de luz a los fotodetectores criogénicos que convertían las señales de nuevo en microondas y las enviaban al qubit. Para fines de comparación experimental, las microondas podrían enrutarse al qubit a través del enlace fotónico o una línea coaxial regular.

El qubit "transmon" utilizado en el experimento de la fibra era un dispositivo conocido como unión de Josephson incrustado en un depósito o cavidad tridimensional. Esta unión consta de dos metales superconductores separados por un aislante. Bajo ciertas condiciones, una corriente eléctrica puede cruzar la unión y puede oscilar hacia adelante y hacia atrás. Aplicando una determinada frecuencia de microondas, los investigadores pueden conducir el qubit entre estados de baja energía y excitados (1 o 0 en computación digital). Estos estados se basan en el número de pares de Cooper (pares de electrones ligados con propiedades opuestas) que se han "tunelizado" a través de la unión.

El equipo del NIST realizó dos tipos de experimentos, utilizando el enlace fotónico para generar pulsos de microondas que medían o controlaban el estado cuántico del qubit. El método se basa en dos relaciones:la frecuencia a la que las microondas rebotan naturalmente hacia adelante y hacia atrás en la cavidad, llamada frecuencia de resonancia, depende del estado qubit. Y la frecuencia a la que el qubit cambia de estado depende del número de fotones en la cavidad.

Los investigadores generalmente comenzaron los experimentos con un generador de microondas. Para controlar el estado cuántico del qubit, dispositivos llamados moduladores electro-ópticos convertían microondas a frecuencias ópticas más altas. Estas señales de luz fluían a través de la fibra óptica desde la temperatura ambiente a 4K (menos 269 C o menos 452 F) hasta 20 miliKelvin (milésimas de Kelvin) donde aterrizaron en fotodetectores semiconductores de alta velocidad, que convirtió las señales de luz de nuevo en microondas que luego se enviaron al circuito cuántico.

En estos experimentos, los investigadores enviaron señales al qubit en su frecuencia de resonancia natural, para ponerlo en el estado cuántico deseado. El qubit oscilaba entre sus estados base y excitado cuando había una potencia láser adecuada.

Para medir el estado del qubit, los investigadores utilizaron un láser infrarrojo para lanzar luz a un nivel de potencia específico a través de los moduladores, Fibra y fotodetectores para medir la frecuencia de resonancia de la cavidad.

Los investigadores primero comenzaron a oscilar el qubit, con la potencia del láser suprimida, y luego usó el enlace fotónico para enviar un pulso de microondas débil a la cavidad. La frecuencia de la cavidad indicó con precisión el estado del qubit el 98% del tiempo, la misma precisión que se obtiene utilizando la línea coaxial regular.

Los investigadores visualizan un procesador cuántico en el que la luz en las fibras ópticas transmite señales hacia y desde los qubits, teniendo cada fibra la capacidad de transportar miles de señales hacia y desde el qubit.