Una investigación de la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en St. Louis ha encontrado una pieza faltante en el rompecabezas de la computación cuántica óptica.

Jung-Tsung Shen, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Sistemas, ha desarrollado un determinista, Puerta lógica cuántica de dos bits de alta fidelidad que aprovecha una nueva forma de luz. Esta nueva puerta lógica es órdenes de magnitud más eficiente que la tecnología actual.

"En el caso ideal, la fidelidad puede llegar al 97%, "Dijo Shen.

Su investigación fue publicada en mayo de 2021 en la revista Revisión física A .

El potencial de las computadoras cuánticas está ligado a las propiedades inusuales de la superposición:la capacidad de un sistema cuántico para contener muchas propiedades distintas, o estados, al mismo tiempo, y entrelazamiento, dos partículas que actúan como si estuvieran correlacionadas de una manera no clásica, a pesar de estar físicamente separados el uno del otro.

Donde el voltaje determina el valor de un bit (un 1 o un 0) en una computadora clásica, los investigadores a menudo usan electrones individuales como "qubits, "el equivalente cuántico. Los electrones tienen varios rasgos que se adaptan bien a la tarea:son fácilmente manipulados por un campo eléctrico o magnético e interactúan entre sí. La interacción es un beneficio cuando se necesitan dos bits para entrelazar, dejando que la naturaleza de la mecánica cuántica se manifiesta.

Pero su propensión a interactuar también es un problema. Todo, desde campos magnéticos perdidos hasta líneas eléctricas, puede influir en los electrones, haciéndolos difíciles de controlar de verdad.

Durante las últimas dos décadas, sin embargo, algunos científicos han intentado utilizar fotones como qubits en lugar de electrones. "Si las computadoras van a tener un verdadero impacto, tenemos que estudiar la posibilidad de crear la plataforma con luz, "Dijo Shen.

Los fotones no tienen cargo, lo que puede conducir a los problemas opuestos:no interactúan con el medio ambiente como los electrones, pero tampoco interactúan entre sí. También ha sido un desafío diseñar y crear interacciones entre fotones ad hoc (efectivas). O eso decía el pensamiento tradicional.

Hace menos de una década, Los científicos que trabajan en este problema descubrieron que, incluso si no se enredaron al entrar por una puerta lógica, el acto de medir los dos fotones cuando salieron los llevó a comportarse como si hubieran estado. Las características únicas de la medición son otra manifestación salvaje de la mecánica cuántica.

"La mecánica cuántica no es difícil, pero esta lleno de sorpresas, "Dijo Shen.

El descubrimiento de la medición fue pionero, pero no del todo revolucionario. Eso es porque por cada 1, 000, 000 fotones, solo un par se enredó. Desde entonces, los investigadores han tenido más éxito, pero, Shen dijo, "Todavía no es lo suficientemente bueno para una computadora, "que tiene que realizar de millones a miles de millones de operaciones por segundo.

Shen pudo construir una puerta lógica cuántica de dos bits con tal eficiencia debido al descubrimiento de una nueva clase de estados fotónicos cuánticos:dímeros fotónicos, fotones entrelazados tanto en el espacio como en la frecuencia. Su predicción de su existencia fue validada experimentalmente en 2013, y desde entonces ha estado encontrando aplicaciones para esta nueva forma de luz.

Cuando un solo fotón entra por una puerta lógica, no pasa nada notable:entra y sale. Pero cuando hay dos fotones, "Fue entonces cuando predijimos que los dos pueden hacer un nuevo estado, dímeros fotónicos. Resulta que este nuevo estado es crucial ".

Matemáticamente, Hay muchas formas de diseñar una puerta lógica para operaciones de dos bits. Estos diferentes diseños se denominan equivalentes. La puerta lógica específica que diseñaron Shen y su grupo de investigación es la puerta de fase controlada (o puerta Z controlada). La función principal de la puerta de fase controlada es que los dos fotones que salen están en el estado negativo de los dos fotones que entraron.

"En los circuitos clásicos, no hay signo menos, ", Dijo Shen." Pero en la computación cuántica, resulta que el signo menos existe y es crucial ".

Cuando dos fotones independientes (que representan dos qubits ópticos) entran por la puerta lógica, "El diseño de la puerta lógica es tal que los dos fotones pueden formar un dímero fotónico, ", Dijo Shen." Resulta que el nuevo estado fotónico cuántico es crucial, ya que permite que el estado de salida tenga el signo correcto que es esencial para las operaciones lógicas ópticas ".

Shen ha estado trabajando con la Universidad de Michigan para probar su diseño, que es una puerta lógica de estado sólido, una que puede operar en condiciones moderadas. Hasta aquí, él dice, los resultados parecen positivos.

Shen dice que este resultado mientras desconcierta a la mayoría, es claro como el día para los que lo saben.

"Es como un rompecabezas, ", dijo." Puede ser complicado de hacer, pero una vez hecho con solo mirarlo, sabrás que es correcto ".