Se prevé que el mercado de la computación cuántica alcance los 65.000 millones de dólares en 2030, un tema candente tanto para inversores como para científicos debido a su potencial para resolver problemas incomprensiblemente complejos.

El descubrimiento de fármacos es un ejemplo. Para comprender las interacciones farmacológicas, una empresa farmacéutica podría querer simular la interacción de dos moléculas. El desafío es que cada molécula está compuesta por unos pocos cientos de átomos, y los científicos deben modelar todas las formas en que estos átomos podrían organizarse cuando se introduzcan sus respectivas moléculas. El número de configuraciones posibles es infinito, más que el número de átomos en todo el universo. Solo una computadora cuántica puede representar, mucho menos resolver, tan expansivo, Problema de datos dinámicos.

El uso generalizado de la computación cuántica queda a décadas de distancia, mientras que los equipos de investigación de las universidades y la industria privada de todo el mundo trabajan en diferentes dimensiones de la tecnología.

Un equipo de investigación dirigido por Xu Yi, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Virginia, se ha hecho un hueco en la física y las aplicaciones de los dispositivos fotónicos, que detectan y dan forma a la luz para una amplia gama de usos, incluidas las comunicaciones y la informática. Su grupo de investigación ha creado una plataforma de computación cuántica escalable, que reduce drásticamente el número de dispositivos necesarios para alcanzar la velocidad cuántica, en un chip fotónico del tamaño de un centavo.

Olivier Pfister, profesor de óptica cuántica e información cuántica en UVA, y Hansuek Lee, profesor asistente en el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea, contribuyó a este éxito.

Comunicaciones de la naturaleza publicó recientemente los resultados experimentales del equipo, Un microcombustible cuántico exprimido en un chip. Dos de los miembros del grupo de Yi, Zijiao Yang, un doctorado estudiante de física, y Mandana Jahanbozorgi, un doctorado estudiante de ingeniería eléctrica e informática, son los co-primeros autores del artículo. Una subvención del programa de Plataformas Integradas Cuánticas de Ingeniería para la Comunicación Cuántica de la Fundación Nacional de Ciencias apoya esta investigación.

La computación cuántica promete una forma completamente nueva de procesar información. Su computadora de escritorio o portátil procesa la información en largas cadenas de bits. Un bit solo puede contener uno de dos valores:cero o uno. Las computadoras cuánticas procesan información en paralelo, lo que significa que no tienen que esperar a que se procese una secuencia de información antes de poder calcular más. Su unidad de información se llama qubit, un híbrido que puede ser uno y cero al mismo tiempo. Un modo cuántico o qumode, abarca todo el espectro de variables entre uno y cero, los valores a la derecha del punto decimal.

Los investigadores están trabajando en diferentes enfoques para producir de manera eficiente la enorme cantidad de qumodes necesarios para alcanzar velocidades cuánticas.

El enfoque de Yi basado en la fotónica es atractivo porque un campo de luz también es de espectro completo; cada onda de luz en el espectro tiene el potencial de convertirse en una unidad cuántica. Yi planteó la hipótesis de que al entrelazar campos de luz, la luz alcanzaría un estado cuántico.

Probablemente esté familiarizado con las fibras ópticas que envían información a través de Internet. Dentro de cada fibra óptica, se utilizan en paralelo láseres de muchos colores diferentes, un fenómeno llamado multiplexación. Yi llevó el concepto de multiplexación al reino cuántico.

Micro es clave para el éxito de su equipo. UVA es pionera y líder en el uso de multiplexación óptica para crear una plataforma de computación cuántica escalable. En 2014, El grupo de Pfister logró generar más de 3, 000 modos cuánticos en un sistema óptico a granel. Sin embargo, El uso de tantos modos cuánticos requiere una gran huella para contener los miles de espejos, lentes y otros componentes que serían necesarios para ejecutar un algoritmo y realizar otras operaciones.

"El futuro del campo es la óptica cuántica integrada, ", Dijo Pfister." Sólo mediante la transferencia de experimentos de óptica cuántica de laboratorios de óptica protegida a chips fotónicos compatibles con el campo. De buena fe La tecnología cuántica podrá ver la luz del día. Somos extremadamente afortunados de haber podido atraer a UVA a un experto mundial en fotónica cuántica como Xu Yi, y estoy muy emocionado por las perspectivas que estos nuevos resultados nos abren ".

El grupo de Yi creó una fuente cuántica en un microrresonador óptico en forma de anillo, estructura de tamaño milimétrico que envuelve los fotones y genera un microcobo, un dispositivo que convierte de manera eficiente fotones de longitudes de onda simples a múltiples. La luz circula alrededor del anillo para acumular potencia óptica. Esta acumulación de energía aumenta las posibilidades de que los fotones interactúen, que produce un entrelazamiento cuántico entre campos de luz en el micropanal.

Mediante multiplexación, El equipo de Yi verificó la generación de 40 qumodes a partir de un solo microrresonador en un chip, demostrando que la multiplexación de modos cuánticos puede funcionar en plataformas fotónicas integradas. Este es solo el número que pueden medir.

"Estimamos que cuando optimizamos el sistema, podemos generar miles de qumodes desde un solo dispositivo, "Dijo Yi.

La técnica de multiplexación de Yi abre un camino hacia la computación cuántica para condiciones del mundo real, donde los errores son inevitables. Esto es cierto incluso en las computadoras clásicas. Pero los estados cuánticos son mucho más frágiles que los estados clásicos.

El número de qubits necesarios para compensar los errores podría superar el millón, con un aumento proporcional en el número de dispositivos. La multiplexación reduce la cantidad de dispositivos necesarios en dos o tres órdenes de magnitud.

El sistema basado en fotónica de Yi ofrece dos ventajas adicionales en la búsqueda de la computación cuántica. Las plataformas de computación cuántica que utilizan circuitos electrónicos superconductores requieren enfriamiento a temperaturas criogénicas. Debido a que el fotón no tiene masa, Las computadoras cuánticas con chips fotónicos integrados pueden funcionar o dormir a temperatura ambiente. Adicionalmente, Lee fabricó el microrresonador en un chip de silicio utilizando técnicas estándar de litografía. Esto es importante porque implica que el resonador o la fuente cuántica pueden producirse en masa.

"Estamos orgullosos de ampliar las fronteras de la ingeniería en la computación cuántica y acelerar la transición de la óptica masiva a la fotónica integrada". Yi dijo:"Continuaremos explorando formas de integrar dispositivos y circuitos en una plataforma de computación cuántica basada en fotónica y optimizar su rendimiento".