Los científicos han creado un procesador reprogramable basado en luz, una primicia mundial, que, según dicen, podría marcar el comienzo de una nueva era de computación y comunicación cuánticas.
Las tecnologías en estos campos emergentes que operan a nivel atómico ya están obteniendo grandes beneficios para el descubrimiento de fármacos y otras aplicaciones a pequeña escala.
En el futuro, los ordenadores cuánticos a gran escala prometen ser capaces de resolver problemas complejos que serían imposibles para los ordenadores actuales.
El investigador principal, el profesor Alberto Peruzzo de la Universidad RMIT en Australia, dijo que el procesador del equipo, un dispositivo fotónico que utiliza partículas de luz para transportar información, podría ayudar a permitir cálculos cuánticos exitosos al minimizar las "pérdidas de luz".
"Nuestro diseño hace que la computadora cuántica fotónica cuántica sea más eficiente en términos de pérdidas de luz, lo cual es fundamental para poder mantener la computación en marcha", dijo Peruzzo, quien dirige el nodo del Centro de Excelencia ARC para Computación Cuántica y Tecnología de Comunicación (CQC2T). en RMIT.
"Si pierdes luz, tienes que reiniciar el cálculo."
Otros posibles avances incluyeron capacidades mejoradas de transmisión de datos para sistemas de comunicaciones "imposible de piratear" y aplicaciones de detección mejoradas en monitoreo ambiental y atención médica, dijo Peruzzo.
El equipo reprogramó un procesador fotónico en una serie de experimentos, logrando un rendimiento equivalente a 2.500 dispositivos, aplicando diferentes voltajes. Sus resultados y análisis se publican en Nature Communications. .
"Esta innovación podría conducir a una plataforma más compacta y escalable para procesadores fotónicos cuánticos", afirmó Peruzzo.
Yang Yang, autor principal y Ph.D. de RMIT. El académico dijo que el dispositivo era "totalmente controlable", permitía una reprogramación rápida con un consumo de energía reducido y reemplazó la necesidad de fabricar muchos dispositivos personalizados.
"Demostramos experimentalmente diferentes dinámicas físicas en un solo dispositivo", dijo.
"Es como tener un interruptor para controlar cómo se comportan las partículas, lo cual es útil tanto para comprender el mundo cuántico como para crear nuevas tecnologías cuánticas".
El profesor Mirko Lobino de la Universidad de Trento en Italia creó el innovador dispositivo fotónico utilizando un cristal llamado niobato de litio, y el profesor Yogesh Joglekar de la Universidad Purdue de Indiana en Indianápolis en Estados Unidos aportó su experiencia en física de la materia condensada.
El niobato de litio tiene propiedades ópticas y electroópticas únicas, lo que lo hace ideal para diversas aplicaciones en óptica y fotónica.
"Mi grupo participó en la fabricación del dispositivo, lo cual fue particularmente desafiante porque tuvimos que miniaturizar una gran cantidad de electrodos encima de las guías de ondas para lograr este nivel de reconfigurabilidad", dijo Lobino.
"Los procesadores fotónicos programables ofrecen una nueva ruta para explorar una variedad de fenómenos en estos dispositivos que potencialmente desbloquearán increíbles avances en tecnología y ciencia", dijo Joglekar.
Mientras tanto, el equipo de Peruzzo también ha desarrollado un sistema híbrido, el primero en el mundo, que combina el aprendizaje automático con el modelado para programar procesadores fotónicos y ayudar a controlar dispositivos cuánticos.
Peruzzo dijo que el control de una computadora cuántica era crucial para garantizar la precisión y eficiencia del procesamiento de datos.
"Uno de los mayores desafíos para la precisión de salida del dispositivo es el ruido, que describe la interferencia en el entorno cuántico que afecta el rendimiento de los qubits", afirmó.
Los qubits son las unidades básicas de la computación cuántica.
"Hay toda una gama de industrias que están desarrollando computación cuántica a gran escala, pero todavía están luchando contra los errores e ineficiencias causados por el ruido", afirmó Peruzzo.
Los intentos de controlar los qubits normalmente se basaban en suposiciones sobre qué era el ruido y qué lo causaba, afirmó Peruzzo.
"En lugar de hacer suposiciones, desarrollamos un protocolo que utiliza el aprendizaje automático para estudiar el ruido y al mismo tiempo utiliza modelos para predecir qué hace el sistema en respuesta al ruido", afirmó.
Con el uso de procesadores fotónicos cuánticos, Peruzzo dijo que este método híbrido podría ayudar a las computadoras cuánticas a funcionar de manera más precisa y eficiente, impactando la forma en que controlamos los dispositivos cuánticos en el futuro.
"Creemos que nuestro nuevo método híbrido tiene el potencial de convertirse en el enfoque de control principal en la computación cuántica", afirmó Peruzzo.
El autor principal, el Dr. Akram Youssry, de RMIT, dijo que los resultados del enfoque recientemente desarrollado mostraron una mejora significativa con respecto a los métodos tradicionales de modelado y control, y podrían aplicarse a otros dispositivos cuánticos más allá de los procesadores fotónicos.
"El método nos ayudó a descubrir y comprender aspectos de nuestros dispositivos que están más allá de los modelos físicos conocidos de esta tecnología", afirmó.
"Esto nos ayudará a diseñar dispositivos aún mejores en el futuro."
"Identificación y control experimental del sistema cuántico de caja gris", publicado en npj Quantum Information .
Peruzzo dijo que se podrían crear nuevas empresas en computación cuántica en torno al diseño de dispositivos fotónicos y el método de control cuántico de su equipo, que continuarían estudiando en términos de aplicaciones y su "pleno potencial".
"La fotónica cuántica es una de las industrias cuánticas más prometedoras porque la industria de la fotónica y la infraestructura de fabricación están muy bien establecidas", afirmó.
"Los algoritmos de aprendizaje automático cuántico tienen ventajas potenciales sobre otros métodos en determinadas tareas, especialmente cuando se trata de grandes conjuntos de datos".
"Imagínese un mundo donde las computadoras funcionan millones de veces más rápido que hoy, donde podemos enviar información de forma segura sin temor a ser interceptada y donde podemos resolver problemas en segundos que actualmente llevarían años".
"Esto no es sólo una fantasía:es el futuro potencial impulsado por tecnologías cuánticas e investigaciones como la nuestra están allanando el camino".
Más información: Akram Youssry et al, Identificación y control experimentales del sistema cuántico de caja gris, npj Quantum Information (2024). DOI:10.1038/s41534-023-00795-5
Yang Yang et al, Hamiltoniano programable de alta dimensión en una matriz de guía de ondas fotónica, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44185-z
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza , Información cuántica de npj
Proporcionado por la Universidad RMIT
