Se espera que las futuras computadoras cuánticas no solo resuelvan tareas informáticas particularmente complicadas, sino que también estén conectadas a una red para el intercambio seguro de datos. En principio, las puertas cuánticas podrían usarse para estos fines. Pero hasta ahora, no ha sido posible realizarlos con suficiente eficiencia. Mediante una combinación sofisticada de varias técnicas, los investigadores del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ) han dado un gran paso para superar este obstáculo.

Durante décadas, las computadoras se han vuelto más rápidas y poderosas con cada nueva generación. Este desarrollo permite abrir constantemente nuevas aplicaciones, por ejemplo en sistemas con inteligencia artificial. Pero cada vez es más difícil lograr un mayor progreso con la tecnología informática establecida. Por esta razón, los investigadores ahora están poniendo su mirada en conceptos alternativos completamente nuevos que podrían usarse en el futuro para algunas tareas informáticas particularmente difíciles. Estos conceptos incluyen computadoras cuánticas.

Su función no se basa en la combinación de ceros y unos digitales, los bits clásicos, como es el caso de las computadoras microelectrónicas convencionales. En cambio, una computadora cuántica usa bits cuánticos, o qubits para abreviar, como unidades básicas para codificar y procesar información. Son las contrapartes de los bits en el mundo cuántico, pero difieren de ellos en una característica crucial:los qubits no solo pueden asumir dos valores fijos o estados como cero o uno, sino también cualquier valor intermedio. En principio, esto ofrece la posibilidad de realizar muchos procesos informáticos simultáneamente en lugar de procesar una operación lógica tras otra.

Comunicación a prueba de escuchas con qubits ópticos

"Hay varias formas de implementar físicamente el concepto de qubits", dice Thomas Stolz, quien ha estado investigando los fundamentos de las computadoras cuánticas en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ) en Garching. "Uno de ellos son los fotones ópticos". Y en su investigación, Stolz y sus colegas en el equipo dirigido por el Dr. Stephan Dürr y el director de MPQ, el Prof. Dr. Gerhard Rempe, también se basaron en partículas de luz del rango espectral visible. "Una ventaja de los fotones como portadores de información en una computadora cuántica es su baja interacción entre ellos y con el medio ambiente", explica Stolz. "Esto evita que la coherencia, que es necesaria para la existencia de qubits, sea destruida rápidamente por perturbaciones externas". Además, los fotones se pueden transportar a largas distancias, por ejemplo, en una fibra óptica. "Esto los convierte en candidatos particularmente prometedores para construir redes cuánticas", dice Stolz:conexiones de varias computadoras cuánticas a través de las cuales los datos cifrados se pueden transmitir incondicionalmente de forma segura y protegidos de manera confiable contra intentos de espionaje.

Los componentes básicos de una computadora cuántica, y por lo tanto también de una red cuántica, son puertas cuánticas. Corresponden en su modo de operación a las puertas lógicas utilizadas en las máquinas informáticas convencionales, pero se adaptan a las propiedades especiales de los qubits. "Las puertas cuánticas para qubits implementadas en iones atrapados o materiales superconductores son actualmente las más avanzadas técnicamente", explica Stephan Dürr. "Sin embargo, realizar tal elemento con fotones es mucho más desafiante". Porque en este caso, la ventaja de las interacciones débiles se convierte en una desventaja tangible. Porque, para poder procesar la información, las partículas de luz deben poder influirse entre sí. Los investigadores del MPQ han demostrado cómo se puede lograr esto de manera efectiva en un artículo, que ahora se ha publicado en la revista de acceso abierto Physical Review X. .

Los intentos anteriores de realizar puertas cuánticas que unen dos fotones entre sí solo han tenido un éxito parcial. Sufrieron principalmente por su baja eficiencia de, en el mejor de los casos, 11%. Esto significa que una gran fracción de las partículas de luz, y por lo tanto también de los datos, se pierden mientras se procesan en el sistema cuántico, una deficiencia especialmente cuando se van a conectar numerosas puertas cuánticas consecutivamente en una red cuántica y las pérdidas se suman como un resultado. "Por el contrario, hemos tenido éxito por primera vez en la realización de una puerta óptica de dos qubits con una eficiencia promedio de más del 40 %", informa Stephan Dürr, casi cuatro veces el récord anterior.

Átomos ultrafríos en un resonador

"La base misma de este éxito fue el uso de componentes no lineales", explica Stolz. Están contenidos en una nueva plataforma experimental que el equipo de MPQ desarrolló específicamente para el experimento e instaló en el laboratorio. Al hacerlo, los investigadores pudieron aprovechar su experiencia de trabajos anteriores que habían publicado en 2016 y 2019. Un hallazgo de esto fue que es útil para el procesamiento de información con fotones usar un gas atómico frío en el que unos pocos átomos están muy excitados energéticamente. "Los átomos median la interacción necesaria entre los fotones", explica Stolz. "Sin embargo, el trabajo anterior también ha demostrado que la densidad de los átomos no debe ser demasiado alta, de lo contrario, la información codificada se borra rápidamente por las colisiones entre los átomos". Por lo tanto, los investigadores ahora usaron un gas atómico con una baja densidad, que enfriaron a una temperatura de 0,5 microkelvin, media millonésima de grado por encima del cero absoluto a menos 273,15 grados Celsius. "Como amplificador adicional para la interacción entre los fotones, colocamos los átomos ultrafríos entre los espejos de un resonador óptico", informa Stolz.

Esto condujo al éxito del experimento, en el que la puerta cuántica procesó los cúbits ópticos en dos pasos:un primer fotón, llamado fotón de control, se introdujo en el resonador y se almacenó allí. Luego, un segundo fotón, llamado fotón objetivo, entró en la configuración y se reflejó en los espejos del resonador:"el momento en que tuvo lugar la interacción", enfatiza Stolz. Finalmente, ambos fotones abandonaron la puerta cuántica, junto con la información impresa en ellos. Para que esto funcionara, los físicos usaron otro truco. Esto se basa en excitaciones de electrones de los átomos de gas a niveles de energía muy altos, llamados estados de Rydberg. "Esto hace que el átomo excitado, en la imagen clásica, se expanda inmensamente", explica Stolz. Alcanza un radio de hasta un micrómetro, varios miles de veces el tamaño normal del átomo. Los átomos en el resonador que se inflan de esta manera hacen posible que los fotones tengan un efecto suficientemente fuerte entre sí. Esto, sin embargo, inicialmente solo provoca un cambio de fase. Además, la luz se desdobla en diferentes caminos que luego se superponen. Solo la interferencia mecánica cuántica durante esta superposición convierte el cambio de fase en una puerta cuántica.

El objetivo:sistemas cuánticos escalables

El experimento fue precedido por un elaborado análisis teórico. El equipo de MPQ había desarrollado especialmente un modelo teórico integral para optimizar el proceso de diseño de la nueva plataforma de investigación. Otras investigaciones teóricas muestran formas en las que los investigadores esperan mejorar la eficiencia de su puerta cuántica óptica en el futuro. También quieren descubrir cómo se puede escalar la puerta cuántica a sistemas más grandes mediante el procesamiento de numerosos qubits simultáneamente. "Nuestros experimentos hasta ahora ya han demostrado que esto es posible en principio", dice Gerhard Rempe, director del grupo. Está convencido:"Nuestros nuevos hallazgos serán de gran utilidad en el desarrollo de computadoras cuánticas basadas en luz y redes cuánticas". + Explora más

Un nuevo tipo de computadora cuántica