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Se prevé que el mercado de la computación cuántica alcance los 65.000 millones de dólares en 2030, un tema candente para inversores y científicos por igual debido a su potencial para resolver problemas incomprensiblemente complejos.
El descubrimiento de fármacos es un ejemplo. Para entender las interacciones de los medicamentos, una empresa farmacéutica puede querer simular la interacción de dos moléculas. El reto es que cada molécula está compuesta por unos cientos de átomos, y los científicos deben modelar todas las formas en que estos átomos podrían disponerse cuando se introducen sus respectivas moléculas. El número de configuraciones posibles es infinito, más que el número de átomos de todo el universo. Solo un ordenador cuántico puede representar, y mucho más resolver, un problema de datos tan amplio y dinámico.
El uso generalizado de la computación cuántica sigue estando a décadas de distancia, mientras los equipos de investigación de las universidades y la industria privada de todo el mundo trabajan en diferentes dimensiones de la tecnología.
Un equipo de investigación dirigido por Xu Yi, profesor adjunto de ingeniería eléctrica e informática de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Virginia, se ha hecho un hueco en la física y las aplicaciones de los dispositivos fotónicos, que detectan y dan forma a la luz para una amplia gama de usos, como las comunicaciones y la informática. Su grupo de investigación ha creado una plataforma de computación cuántica escalable, que reduce drásticamente el número de dispositivos necesarios para alcanzar la velocidad cuántica, en un chip fotónico del tamaño de un céntimo.
Olivier Pfister, profesor de óptica cuántica e información cuántica de la UVA, y Hansuek Lee, profesor adjunto del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea, han contribuido a este éxito.
Nature Communications publicó recientemente los resultados experimentales del equipo, A Squeezed Quantum Microcomb on a Chip. Dos miembros del grupo de Yi, Zijiao Yang, estudiante de doctorado en física, y Mandana Jahanbozorgi, estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica e informática, son los coprimeros autores del artículo. Esta investigación está respaldada por una subvención del programa de Plataformas Integradas de Ingeniería Cuántica para la Comunicación Cuántica de la Fundación Nacional de la Ciencia.
La computación cuántica promete una forma totalmente nueva de procesar la información. Su ordenador de sobremesa o portátil procesa la información en largas cadenas de bits. Un bit sólo puede contener uno de dos valores: cero o uno. Los ordenadores cuánticos procesan la información en paralelo, lo que significa que no tienen que esperar a que se procese una secuencia de información para poder computar más. Su unidad de información se llama qubit, un híbrido que puede ser uno y cero al mismo tiempo. Un modo cuántico, o qumode, abarca todo el espectro de variables entre el uno y el cero, los valores a la derecha del punto decimal.
Los investigadores están trabajando en diferentes enfoques para producir de forma eficiente el enorme número de qumodes necesarios para alcanzar velocidades cuánticas.
El enfoque de Yi, basado en la fotónica, es atractivo porque un campo de luz también es de espectro completo; cada onda luminosa del espectro tiene el potencial de convertirse en una unidad cuántica. Yi planteó la hipótesis de que al entrelazar los campos de luz, ésta alcanzaría un estado cuántico.
Probablemente conozca las fibras ópticas que transmiten información a través de Internet. Dentro de cada fibra óptica, se utilizan láseres de muchos colores diferentes en paralelo, un fenómeno llamado multiplexación. Yi ha trasladado el concepto de multiplexación al ámbito cuántico.
El micro es la clave del éxito de su equipo. La UVA es pionera y líder en el uso de la multiplexación óptica para crear una plataforma de computación cuántica escalable. En 2014, el grupo de Pfister consiguió generar más de 3.000 modos cuánticos en un sistema óptico a granel. Sin embargo, el uso de tantos modos cuánticos requiere un gran espacio para contener los miles de espejos, lentes y otros componentes que serían necesarios para ejecutar un algoritmo y realizar otras operaciones.
"El futuro de este campo es la óptica cuántica integrada", afirma Pfister. "Sólo si se trasladan los experimentos de óptica cuántica de los laboratorios de óptica protegidos a los chips fotónicos compatibles con el campo, la tecnología cuántica de buena fe podrá ver la luz del día. Somos extremadamente afortunados por haber podido atraer a la UVA a un experto mundial en fotónica cuántica como Xu Yi, y estoy muy ilusionado por las perspectivas que nos abren estos nuevos resultados."
El grupo de Yi creó una fuente cuántica en un microrresonador óptico, una estructura milimétrica en forma de anillo que envuelve los fotones y genera un microconocimiento, un dispositivo que convierte eficazmente los fotones de una a varias longitudes de onda. La luz circula por el anillo para acumular potencia óptica. Esta acumulación de potencia aumenta las posibilidades de que los fotones interactúen, lo que produce un entrelazamiento cuántico entre los campos de luz del microcombio.
Mediante la multiplexación, el equipo de Yi verificó la generación de 40 modos cuánticos a partir de un único microresonador en un chip, lo que demuestra que la multiplexación de modos cuánticos puede funcionar en plataformas fotónicas integradas. Este es sólo el número que han podido medir.
"Calculamos que, cuando optimicemos el sistema, podremos generar miles de qumodes a partir de un solo dispositivo", dijo Yi.
La técnica de multiplexación de Yi abre un camino hacia la computación cuántica para condiciones del mundo real, donde los errores son inevitables. Esto es cierto incluso en los ordenadores clásicos. Pero los estados cuánticos son mucho más frágiles que los clásicos.
El número de qubits necesarios para compensar los errores podría superar el millón, con un aumento proporcional del número de dispositivos. La multiplexación reduce el número de dispositivos necesarios en dos o tres órdenes de magnitud.
El sistema basado en la fotónica de Yi ofrece dos ventajas adicionales en la búsqueda de la computación cuántica. Las plataformas de computación cuántica que utilizan circuitos electrónicos superconductores requieren refrigeración a temperaturas criogénicas. Como el fotón no tiene masa, los ordenadores cuánticos con chips fotónicos integrados pueden funcionar o dormir a temperatura ambiente. Además, Lee fabricó el microrresonador en un chip de silicio utilizando técnicas litográficas estándar. Esto es importante porque implica que el resonador o fuente cuántica puede producirse en masa.
"Estamos orgullosos de ampliar las fronteras de la ingeniería en la computación cuántica y acelerar la transición de la óptica a granel a la fotónica integrada", dijo Yi. "Seguiremos explorando formas de integrar dispositivos y circuitos en una plataforma de computación cuántica basada en la fotónica y optimizar su rendimiento".
Fuentes, créditos y referencias:
Zijiao Yang et al, A squeezed quantum microcomb on a chip, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-25054-z