Ofrece una manera de aprovechar el poder de la óptica al idear redes cuánticas
Los físicos aplicados de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS) han creado un router de fotones que podría conectarse a redes cuánticas para crear robustas interfaces ópticas para computadoras cuánticas de microondas sensibles al ruido.
Este avance supone un paso crucial para que algún día podamos crear redes de computación cuántica modulares y distribuidas que aprovechen la infraestructura de telecomunicaciones existente. Las actuales redes de fibra óptica, compuestas por millones de kilómetros de fibra óptica, envían información entre grupos informáticos en forma de pulsos de luz, o fotones, a todo el mundo en un abrir y cerrar de ojos.
Dirigido por Marko Lončar, profesor Tiantsai Lin de Ingeniería Eléctrica y Física Aplicada en la SEAS, el equipo ha creado un transductor cuántico óptico de microondas, un dispositivo diseñado para sistemas de procesamiento cuántico que utilizan qubits de microondas superconductores como sus unidades de operación más pequeñas (análogos a los 1 y 0 de los bits clásicos).
Como enrutador de fotones, el transductor conecta la gran brecha energética entre los fotones de microondas y los fotones ópticos, lo que permite controlar cúbits de microondas con señales ópticas generadas a muchos kilómetros de distancia. El dispositivo es el primero de su tipo en demostrar el control de un cúbit superconductor utilizando únicamente luz.
La primera autora del artículo y estudiante de posgrado, Hana Warner, dijo que el transductor ofrece una manera de aprovechar el poder de la óptica al idear redes cuánticas.
"La implementación de estos sistemas aún está lejos, pero para lograrlo necesitamos encontrar formas prácticas de escalar e interactuar con los diferentes componentes", dijo Warner.
"Los fotones ópticos son una de las mejores maneras de lograrlo, porque son muy buenos portadores de información, con baja pérdida y gran ancho de banda".
Los qubits superconductores, que son circuitos nanofabricados diseñados para diferentes estados de energía, son una plataforma de computación cuántica emergente debido a su escalabilidad, compatibilidad con los procesos de fabricación existentes y capacidad de mantener la superposición cuántica el tiempo suficiente para realizar cálculos.
Imagen: Esquema de cúbit superconductor impulsado por transductor. Crédito: Grupo Lončar / Harvard SEAS
Pero uno de los principales obstáculos para el despliegue de plataformas qubit de microondas superconductoras son las temperaturas extremadamente bajas a las que deben operar, lo que requiere grandes sistemas de enfriamiento llamados refrigeradores de dilución.
Dado que la computación cuántica del futuro requerirá millones de qubits para funcionar, es un desafío escalar estos sistemas únicamente en señales de frecuencia de microondas. La solución reside en utilizar cúbits de microondas para realizar las operaciones cuánticas, pero empleando fotones ópticos como interfaces eficientes y escalables.
Ahí es donde entra en juego el transductor.
El dispositivo óptico de 2 milímetros del equipo de Harvard se parece a un clip y está situado sobre un chip de unos 2 centímetros de largo. Funciona conectando un resonador de microondas con dos resonadores ópticos, lo que permite un intercambio de energía recíproco gracias a las propiedades de su material base, el niobato de litio. El equipo aprovechó este intercambio para eliminar la necesidad de cables de microondas voluminosos y calientes para controlar los estados de los cúbits.
Los mismos dispositivos utilizados para el control podrían emplearse para la lectura del estado de los qubits o para formar enlaces directos para convertir delicada información cuántica en paquetes de luz resistentes entre nodos de computación cuántica. Este avance nos acerca a un mundo con procesadores cuánticos superconductores conectados por redes ópticas de alta potencia y baja pérdida.
"El próximo paso para nuestro transductor podría ser la generación y distribución confiable del entrelazamiento entre cúbits de microondas usando luz", dijo Lončar.
El equipo de Harvard combinó su experiencia en sistemas ópticos con colaboradores de Rigetti Computing, quienes proporcionaron las plataformas qubit superconductoras de aluminio sobre silicio en las que los investigadores probaron su transductor y trazaron diferentes experimentos. Otros colaboradores fueron de la Universidad de Chicago y el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT).
La fabricación de los chips se llevó a cabo en el Centro de Sistemas a Nanoescala de Harvard, miembro de la Red Nacional de Infraestructura Coordinada de Nanotecnología.
Los hallazgos fueron publicados hoy (2 de abril) en Nature Physics: Coherent control of a superconducting qubit using light
