Dos fotones, llamados fotón de "señal" y fotón "inactivo", interactúan cuando se cruzan. La imagen también muestra dos ejemplos de forma de onda bifotónica en medio del proceso de interacción. Crédito:Babushkin et al.
Las computadoras cuánticas, máquinas que aprovechan los estados cuánticos para realizar cálculos y almacenar datos, pronto podrían revolucionar la industria informática, logrando velocidades y rendimiento significativamente mayores que las computadoras existentes. Si bien innumerables empresas en todo el mundo, incluidas Google e IBM, así como nuevas empresas más pequeñas, han comenzado a trabajar en tecnologías cuánticas, la arquitectura exacta que conducirá a su producción en masa sigue sin estar clara.
Investigadores de la Universidad Leibniz de Hannover han realizado recientemente un estudio teórico que investiga la posibilidad de realizar puertas de qubits voladores para computadoras cuánticas que sean insensibles a las formas de onda de los fotones y que también conserven completamente estas formas durante el procesamiento. Su artículo, publicado en Physical Review Letters , podría servir como base para el desarrollo de nuevas puertas que puedan procesar paquetes de ondas fotónicas entrelazadas con mayor eficacia que las no entrelazadas.
"Hay varias arquitecturas candidatas para el desarrollo de la tecnología cuántica, incluidos los superconductores, las trampas de iones, el estado sólido, la óptica, etc.", dijo a Phys.org Ihar Babushkin, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. "Independientemente de la arquitectura que consideremos, los fotones, los cuantos de luz, jugarán un papel importante, ya que en casi todas las arquitecturas los mediadores entre los bits de información cuántica (qubits) son fotones".
Las computadoras cuánticas ópticas se quedan aquí por separado, ya que los fotones no solo median en la interacción entre los qubits; también son qubits en sí mismos. Como los fotones no se ven afectados por la decoherencia (es decir, un proceso a través del cual el entorno interactúa con los cúbits y cambia sus estados cuánticos, lo que provoca la pérdida de la información que almacenan), son ideales para transportar información cuántica de forma segura.
"Para los fotones, la decoherencia no es un problema porque los fotones no interactúan con los fotones y apenas interactúan con la materia", explicó Babushkin. “Sin embargo, esto se convierte en un problema tan pronto como queremos manipular fotones:la falta de interacción dificulta la manipulación de fotones y, por lo tanto, dificulta la realización de cálculos cuánticos. el procesamiento de la información es extremadamente atractivo, si se puede realizar, ya que se puede realizar a temperatura ambiente".
Un enfoque existente para el procesamiento de información fotónica se conoce como "computación basada en mediciones". Este enfoque solo requiere elementos lineales, como divisores de haz y la medición de fotones auxiliares.
Un método alternativo es la conversión de fotones coherentes (CPC). Esta es una técnica que amplifica las interacciones ópticas no lineales, procesos a través de los cuales se mezclan cuatro ondas entre fotones, utilizando un potente rayo láser adicional.
A pesar de sus diferencias, estos dos enfoques diferentes comparten una limitación común. Específicamente, ambos, como se creía hasta ahora, requieren fotones de entrada que sean "idénticos" (es decir, indistinguibles y no correlacionados entre sí en el tiempo y el espacio).
"Este requisito es necesario porque, de lo contrario, los fotones se vuelven distinguibles, rompiendo su interferencia cuántica", dijo Babushkin. "Esta es una limitación severa, ya que requiere que todos los fotones se produzcan con fuentes de fotones completamente independientes pero idénticas. Producir muchos fotones idénticos no es una tarea fácil".
En su artículo, Babushkin y sus colegas demostraron que esto podría lograrse utilizando una variante del método CPC. Más específicamente, demostraron teóricamente que el CPC podría usarse para realizar puertas de cúbits voladores que funcionan igualmente bien para fotones distinguibles, no idénticos y correlacionados, preservando sus propiedades fotónicas espacio-temporales mientras están en funcionamiento. Para ello, utilizaron una variante del enfoque de CPC propuesto por un equipo de la Universidad Macquarie y el Imperial College.
"En este enfoque, tanto los fotones que interactúan como la potente bomba láser se propagan con diferentes velocidades y se encuentran en algún punto", dijo Babushkin. "Demostramos que, en este caso, la interacción de fotones aparece en forma de un frente de interacción nítido, que puede ser tan pequeño como cientos de attosegundos en el tiempo (un attosegundo es 10 -18 de segundo) y pocos nanómetros en el espacio. El tamaño de este frente está determinado por la velocidad máxima con la que los átomos pueden reaccionar a la excitación óptica".
Babushkin y sus colegas demostraron que usando su enfoque, tan pronto como la forma de onda (es decir, la forma del pulso) de los fotones que interactúan es mucho más grande que la escala de attosegundos, que siempre es el caso de las frecuencias ópticas, las piezas separadas de las formas de onda fotónicas son procesada de forma independiente. Como resultado, la forma de onda de los fotones en el sistema permanece intacta.
"Creemos que nuestro principal logro es que demostramos que es posible crear puertas que funcionen de forma independiente y tolerante a la forma de onda", dijo Babushkin. "Tal posibilidad no era evidente, al contrario, se creía que tales puertas eran imposibles".
En el futuro, la hipótesis presentada por este equipo de investigadores podría probarse experimentalmente en el laboratorio, para confirmar si sus predicciones teóricas son ciertas. Si lo son, su trabajo podría allanar el camino hacia el desarrollo de mejores sistemas de procesamiento de información fotónica.
"Como siguiente paso en nuestra investigación, intentaremos realizar experimentalmente las nociones teóricas que presentamos", agregó Babushkin. "Si tenemos éxito, extenderemos nuestro resultado de puerta única a todo el marco en el que todos los cálculos se realizan de manera tolerante a la forma de onda. En un futuro más lejano, esto puede conducir a una realización más fácil de computadoras cuánticas puramente fotónicas".
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