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| Jung-Tsung Shen, profesor asociado del Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Sistemas, ha desarrollado una puerta lógica cuántica determinista y de alta fidelidad de dos bits que aprovecha una nueva forma de luz. Esta nueva puerta lógica es órdenes de magnitud más eficiente que la tecnología actual. Crédito: Jung-Tsung Shen |
Puertas de fase controlada por dos fotones mediante dímeros fotónicos
Una investigación de la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en San Luis ha encontrado una pieza que faltaba en el rompecabezas de la computación cuántica óptica.
Jung-Tsung Shen, profesor asociado del Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Sistemas, ha desarrollado una puerta lógica cuántica determinista y de alta fidelidad de dos bits que aprovecha una nueva forma de luz. Esta nueva puerta lógica es órdenes de magnitud más eficiente que la tecnología actual.
"En el caso ideal, la fidelidad puede llegar al 97%", dijo Shen.
Su investigación se publicó en mayo de 2021 en la revista Physical Review A.
El potencial de los ordenadores cuánticos está ligado a las inusuales propiedades de superposición -la capacidad de un sistema cuántico de contener muchas propiedades o estados distintos al mismo tiempo- y de entrelazamiento -dos partículas que actúan como si estuvieran correlacionadas de forma no clásica, a pesar de estar físicamente alejadas unas de otras-.
Mientras que el voltaje determina el valor de un bit (un 1 o un 0) en un ordenador clásico, los investigadores suelen utilizar electrones individuales como "qubits", el equivalente cuántico. Los electrones tienen varias características que los hacen idóneos para esta tarea: son fácilmente manipulables por un campo eléctrico o magnético e interactúan entre sí. La interacción es una ventaja cuando se necesita que dos bits estén entrelazados, lo que permite que se manifiesten las maravillas de la mecánica cuántica.
Pero su propensión a interactuar también es un problema. Todo, desde los campos magnéticos parásitos hasta las líneas eléctricas, puede influir en los electrones, lo que dificulta su control.
Sin embargo, durante las dos últimas décadas, algunos científicos han intentado utilizar fotones como qubits en lugar de electrones. "Si los ordenadores van a tener un verdadero impacto, tenemos que estudiar la posibilidad de crear la plataforma utilizando la luz", dijo Shen.
Los fotones no tienen carga, lo que puede llevar a los problemas opuestos: no interactúan con el entorno como los electrones, pero tampoco interactúan entre sí. Además, ha sido un reto diseñar y crear interacciones ad hoc (efectivas) entre fotones. O al menos así era el pensamiento tradicional.
Hace menos de una década, los científicos que trabajaban en este problema descubrieron que, aunque no estuvieran entrelazados al entrar en una puerta lógica, el acto de medir los dos fotones al salir los llevaba a comportarse como si lo estuvieran. Las características únicas de la medición son otra manifestación salvaje de la mecánica cuántica.
"La mecánica cuántica no es difícil, pero está llena de sorpresas", dijo Shen.
El descubrimiento de las mediciones fue innovador, pero no llegó a cambiar las reglas del juego. Esto se debe a que por cada 1.000.000 de fotones, solo un par se enredó. Los investigadores han tenido más éxito desde entonces, pero, según Shen, "todavía no es suficiente para un ordenador", que tiene que realizar entre millones y miles de millones de operaciones por segundo.
Shen pudo construir una puerta lógica cuántica de dos bits con tal eficacia gracias al descubrimiento de una nueva clase de estados fotónicos cuánticos: los dímeros fotónicos, fotones enredados tanto en el espacio como en la frecuencia. Su predicción sobre su existencia fue validada experimentalmente en 2013, y desde entonces ha encontrado aplicaciones para esta nueva forma de luz.
Cuando un solo fotón entra en una puerta lógica, no ocurre nada notable: entra y sale. Pero cuando hay dos fotones, "es cuando predecimos que los dos pueden crear un nuevo estado, los dímeros fotónicos". Resulta que este nuevo estado es crucial".
Matemáticamente, hay muchas formas de diseñar una puerta lógica para operaciones de dos bits. Estos diferentes diseños se denominan equivalentes. La puerta lógica específica que Shen y su grupo de investigación diseñaron es la puerta de fase controlada (o puerta Z controlada). La función principal de la puerta de fase controlada es que los dos fotones que salen están en el estado negativo de los dos fotones que entraron.
"En los circuitos clásicos, no hay signo negativo", dijo Shen. "Pero en la computación cuántica, resulta que el signo menos existe y es crucial".
Cuando dos fotones independientes (que representan dos qubits ópticos) entran en la puerta lógica, "el diseño de la puerta lógica es tal que los dos fotones pueden formar un dímero fotónico", dijo Shen. "Resulta que el nuevo estado fotónico cuántico es crucial, ya que permite que el estado de salida tenga el signo correcto que es esencial para las operaciones lógicas ópticas".
Shen ha estado trabajando con la Universidad de Michigan para probar su diseño, que es una puerta lógica de estado sólido que puede funcionar en condiciones moderadas. Hasta ahora, dice, los resultados parecen positivos.
Shen dice que este resultado, aunque desconcertante para la mayoría, es claro como el día para los que saben.
"Es como un rompecabezas", dice. "Puede ser complicado de hacer, pero una vez hecho, con sólo mirarlo, sabrás que es correcto".
Más Información:
Zihao Chen et al, Two-photon controlled-phase gates enabled by photonic dimers, Physical Review A (2021). DOI: 10.1103/PhysRevA.103.052610
Journal information:
Physical Review A