La carrera por desarrollar computadoras cuánticas se ha intensificado mucho en los últimos años. Los sistemas de última generación ahora pueden ejecutar algoritmos simples utilizando docenas de qubits (o bits cuánticos), que son los componentes básicos de las computadoras cuánticas.
Gran parte de este éxito se ha logrado en los llamados ordenadores cuánticos basados en puertas. Estas computadoras utilizan componentes físicos, sobre todo circuitos superconductores, para alojar y controlar los qubits. Este enfoque es bastante similar al de los ordenadores clásicos basados en dispositivos convencionales. Por tanto, las dos arquitecturas informáticas son relativamente compatibles y podrían utilizarse juntas. Además, se podrían fabricar futuros ordenadores cuánticos aprovechando las tecnologías utilizadas para fabricar ordenadores convencionales.
Pero el equipo de investigación de Computación Cuántica Óptica del Centro RIKEN de Computación Cuántica ha adoptado un enfoque muy diferente. En lugar de optimizar las computadoras cuánticas basadas en puertas, Atsushi Sakaguchi, Jun-ichi Yoshikawa y el líder del equipo Akira Furusawa han estado desarrollando computación cuántica basada en mediciones.
Las computadoras cuánticas basadas en mediciones procesan información en un estado cuántico complejo conocido como estado de clúster, que consta de tres (o más) qubits unidos entre sí por un fenómeno no clásico llamado entrelazamiento. El entrelazamiento ocurre cuando las propiedades de dos o más partículas cuánticas permanecen vinculadas, incluso cuando están separadas por grandes distancias.
Las computadoras cuánticas basadas en mediciones funcionan realizando una medición en el primer qubit en el estado del clúster. El resultado de esta medición determina qué medición realizar en el segundo qubit entrelazado, un proceso llamado feedforward. Esto luego determina cómo medir el tercero. De esta manera, cualquier puerta o circuito cuántico se puede implementar mediante la elección adecuada de la serie de mediciones.
Los esquemas basados en mediciones son muy eficientes cuando se usan en computadoras cuánticas ópticas, ya que es fácil entrelazar una gran cantidad de estados cuánticos en un sistema óptico. Esto hace que una computadora cuántica basada en mediciones sea potencialmente más escalable que una computadora cuántica basada en puertas. Para esto último, los qubits deben fabricarse y ajustarse con precisión para lograr uniformidad y conectarse físicamente entre sí. Estos problemas se resuelven automáticamente mediante el uso de una computadora cuántica óptica basada en mediciones.
Es importante destacar que la computación cuántica basada en mediciones ofrece programabilidad en sistemas ópticos. "Podemos cambiar el funcionamiento simplemente cambiando la medida", afirma Sakaguchi. "Esto es mucho más fácil que cambiar el hardware, como lo requieren los sistemas basados en puertas en los sistemas ópticos."
Pero el avance es esencial. "El feedforward es una metodología de control en la que alimentamos los resultados de las mediciones a una parte diferente del sistema como forma de control", explica Sakaguchi. "En la computación cuántica basada en mediciones, la alimentación anticipada se utiliza para compensar la aleatoriedad inherente en las mediciones cuánticas. Sin operaciones de alimentación anticipada, la computación cuántica basada en mediciones se vuelve probabilística, mientras que la computación cuántica práctica tendrá que ser determinista".
El equipo de investigación de Computación Óptica Cuántica y sus compañeros de trabajo (de la Universidad de Tokio, la Universidad Palacký en la República Checa, la Universidad Nacional de Australia y la Universidad de Nueva Gales del Sur, Australia) han demostrado ahora una forma más avanzada de avance:no lineal. avance. Se requiere una alimentación anticipada no lineal para implementar toda la gama de puertas potenciales en computadoras cuánticas basadas en óptica. Los hallazgos se publican en la revista Nature Communications. .
"Ahora hemos demostrado experimentalmente la medición de cuadratura no lineal utilizando una nueva tecnología de avance no lineal", explica Sakaguchi. "Este tipo de medición había sido anteriormente una barrera para la realización de operaciones cuánticas universales en la computación cuántica basada en mediciones ópticas."
Ordenadores ópticos
Las computadoras cuánticas ópticas utilizan qubits hechos de paquetes de ondas de luz. En otras instituciones, algunos miembros del equipo actual de RIKEN habían construido previamente los grandes estados de grupos ópticos necesarios para la computación cuántica basada en mediciones. También se ha logrado una alimentación anticipada lineal para construir operaciones de puerta simples, pero las puertas más avanzadas necesitan una alimentación anticipada no lineal.
En 2016 se propuso una teoría para la implementación práctica de la medición de cuadratura no lineal. Pero este enfoque presentaba dos dificultades prácticas importantes:generar un estado auxiliar especial (que el equipo logró en 2021) y realizar una operación de avance no lineal.
El equipo superó este último desafío con ópticas complejas, materiales electroópticos especiales y electrónica ultrarrápida. Para ello utilizaron memorias digitales, en las que las funciones no lineales deseadas se calculaban previamente y se registraban en la memoria. "Después de la medición, transformamos la señal óptica en eléctrica", explica Sakaguchi. "En el feedforward lineal, simplemente amplificamos o atenuamos esa señal, pero necesitábamos hacer un procesamiento mucho más complejo para el feedforward no lineal".
Las ventajas clave de esta técnica de avance no lineal son su velocidad y flexibilidad. El proceso debe ser lo suficientemente rápido como para que la salida pueda sincronizarse con el estado cuántico óptico.
"Ahora que hemos demostrado que podemos realizar una alimentación anticipada no lineal, queremos aplicarla a la computación cuántica basada en mediciones reales y a la corrección de errores cuánticos utilizando nuestro sistema desarrollado previamente", dice Sakaguchi. "Y esperamos poder aumentar la velocidad de nuestra alimentación no lineal para la computación cuántica óptica de alta velocidad".
"Pero el mensaje clave es que, aunque los enfoques basados en circuitos superconductores pueden ser más populares, los sistemas ópticos son un candidato prometedor para el hardware de computadoras cuánticas", añade.
Más información: Atsushi Sakaguchi et al, Feedforward no lineal que permite la computación cuántica, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-39195-w
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
Proporcionado por RIKEN
