Los investigadores han logrado un gran paso adelante en la computación cuántica al crear un dispositivo aproximadamente 100 veces más delgado que el ancho de un cabello humano. Trabajo, publicado en la revista. comunicación de la naturalezaintroduce un nuevo tipo de modulador de fase óptico diseñado para controlar con precisión la luz láser. Esta capacidad es esencial para ejecutar futuras computadoras cuánticas que pueden depender de miles o incluso millones de qubits, las unidades fundamentales utilizadas para almacenar y procesar información cuántica.
La forma en que está construido el dispositivo es tan importante como su tamaño. En lugar de depender de equipos de laboratorio hechos a medida, los investigadores utilizaron métodos de fabricación escalables similares a los que se encuentran en computadoras, teléfonos inteligentes, vehículos y electrodomésticos, esencialmente cualquier tecnología alimentada por electricidad (incluso tostadoras). Este método hace que el dispositivo sea más práctico para la producción en masa.
Una máquina en miniatura construida a escala del mundo real
La investigación fue dirigida por Jack Friedman, un estudiante de doctorado entrante en el Departamento de Ingeniería Eléctrica, Informática y Energética, junto con el profesor Matt Eichenfeld de Ingeniería Cuántica y la Cátedra Carl Gustafson. El equipo también colaboró con científicos del Laboratorio Nacional Sandia, incluido el coautor principal Nils Otterstrom. Juntos crearon un dispositivo que combina tamaño pequeño, alto rendimiento y bajo costo, lo que lo hace adecuado para la producción en masa.
En el corazón de la tecnología se encuentran las vibraciones de frecuencia de microondas que oscilan miles de millones de veces por segundo. Estas vibraciones permiten que el chip manipule la luz láser con notable precisión.
Al controlar directamente la fase de un rayo láser, el dispositivo puede generar nuevas frecuencias láser que son estables y eficientes. Este nivel de control es un requisito clave no sólo para la computación cuántica, sino también para campos emergentes como la detección cuántica y las redes cuánticas.
Por qué las computadoras cuánticas necesitan láseres ultraprecisos
Algunos de los diseños de computación cuántica más prometedores utilizan iones atrapados o átomos neutros atrapados para almacenar información. En estos sistemas, cada átomo actúa como un qubit. Los investigadores dirigen rayos láser cuidadosamente sintonizados hacia estos átomos, proporcionando de manera efectiva una guía que permite realizar cálculos. Para que esto funcione, cada láser debe estar alineado con extrema precisión, a veces hasta una milmillonésima de porcentaje.
“Hacer una nueva copia de un láser con una diferencia de frecuencia muy precisa es una de las herramientas más importantes para trabajar con computadoras cuánticas basadas en átomos e iones”, dijo Friedman. “Pero para hacerlo a escala, se necesita tecnología que pueda generar eficientemente esas nuevas frecuencias”.
Actualmente, estos cambios de frecuencia precisos se producen utilizando grandes dispositivos de mesa que requieren una considerable potencia de microondas. Si bien son eficaces para experimentos pequeños, estos sistemas no son prácticos para la gran cantidad de canales ópticos necesarios en las futuras computadoras cuánticas.
“No se va a construir una computadora cuántica con 100.000 moduladores electroópticos a granel en un almacén lleno de mesas ópticas”, dijo Eichenfeld. “Se necesita una forma mucho más escalable de fabricarlos que no tenga que ensamblarse a mano y con largos recorridos ópticos. Mientras lo hace, si puede colocarlos en unos pocos microchips pequeños y producir 100 veces menos calor, es mucho más probable que funcione”.
Menor consumo de energía, menos calor, más Qubits
El nuevo dispositivo produce cambios de frecuencia del láser mediante una modulación de fase eficiente y utiliza aproximadamente 80 veces menos potencia de microondas que muchos moduladores comerciales existentes. Un menor consumo de energía significa menos calor, lo que permite agrupar más canales, incluso en un solo chip.
En conjunto, estas ventajas transforman el chip en un sistema escalable capaz de coordinar las interacciones precisas de los átomos para realizar cálculos cuánticos.
Construido con la misma tecnología que los microchips modernos.
Uno de los logros más importantes del proyecto fue que el dispositivo se construyó íntegramente en una instalación de fabricación, o fábrica, el mismo tipo de entorno utilizado para producir microelectrónica avanzada.
“La fabricación de CMOS es la tecnología más escalable que el hombre jamás haya inventado”, afirmó Eichenfeld.
“Cada teléfono celular o cada chip microelectrónico de una computadora tiene miles de millones de transistores esencialmente idénticos. Por lo tanto, utilizando la fabricación CMOS, en el futuro podremos fabricar miles o incluso millones de versiones idénticas de nuestros dispositivos fotónicos, que es lo que requerirá la computación cuántica”.
Según Otterstorm, el equipo tomó tecnologías de modulación que alguna vez fueron voluminosas, costosas y consumían mucha energía y las rediseñó para que fueran más pequeñas, más eficientes y más fáciles de integrar.
“Estamos ayudando a impulsar la óptica hacia su propia ‘revolución de transistores’, alejándonos del equivalente óptico de los tubos de vacío y hacia tecnologías fotónicas integradas escalables”, dijo Otterstorm.
Hacia chips fotónicos cuánticos totalmente integrados
Los investigadores ahora están trabajando en circuitos fotónicos totalmente integrados que combinan generación de frecuencia, filtrado y conformación de pulsos en un solo chip. Este esfuerzo acerca el campo a una plataforma fotónica cuántica operativa y completa.
A continuación, el equipo planea asociarse con una empresa de computación cuántica para probar estos chips dentro de computadoras cuánticas avanzadas de iones atrapados y átomos neutros atrapados.
“Este dispositivo es una de las últimas piezas del rompecabezas”, dijo Friedman. “Nos estamos acercando a una plataforma fotónica verdaderamente escalable capaz de controlar una gran cantidad de qubits”.
El proyecto cuenta con el apoyo del Departamento de Energía de EE. UU. a través del Programa Acelerador de Sistemas Cuánticos, un centro de investigación científica de la Iniciativa Nacional Cuántica.
