Después de años de lento progreso, los investigadores finalmente ven un camino claro en la búsqueda de construir poderosas computadoras cuánticas. Estas máquinas reducirían drásticamente el tiempo necesario para cálculos específicos, convirtiendo problemas que tardarían miles de años en las computadoras clásicas en tareas que podrían completarse en horas.
Un equipo dirigido por físicos de la Universidad de Stanford ha creado un nuevo tipo de cavidad óptica que puede emitir de manera eficiente fotones individuales, las partículas fundamentales de la luz, emitidas por átomos individuales. Estos átomos sirven como componentes clave de una computadora cuántica porque almacenan qubits, que son el equivalente cuántico de cero y se utilizan en la computación tradicional. Por primera vez, este método permite recopilar información de todos los qubits a la vez.
La cavidad óptica permite una lectura rápida de Qubit
Publicado en investigación la naturalezaEl equipo describe un sistema que consta de 40 cavidades ópticas, cada una de las cuales contiene un qubit de un solo átomo, y un prototipo más grande contiene más de 500 cavidades. Los resultados apuntan a un camino realista hacia la construcción de redes de computación cuántica que puedan incorporar un millón de qubits al día.
“Si queremos construir una computadora cuántica, necesitamos poder leer información de bits cuánticos muy rápidamente”, dijo John Simon, profesor asociado de física y física aplicada en la Escuela de Humanidades y Ciencias de Stanford. “Hasta ahora, no había una forma práctica de hacer esto a escala porque los átomos no emiten luz lo suficientemente rápido y, además, la dispersan en todas direcciones. Una cavidad óptica puede dirigir efectivamente la luz emitida en una dirección específica, y ahora hemos encontrado una manera de computarizar cada átomo dentro de sus propias medidas”.
Cómo las cavidades ópticas controlan la luz
Una cavidad óptica funciona atrapando la luz entre dos o más superficies reflectantes, lo que hace que rebote hacia adelante y hacia atrás. El efecto se puede comparar con el de estar frente al espejo de una casa divertida, donde los reflejos parecen extenderse infinitamente en la distancia. En entornos científicos, estas cavidades son mucho más pequeñas y utilizan pases repetidos de un rayo láser para extraer información de los átomos.
Aunque las cavidades ópticas se han estudiado durante décadas, son difíciles de usar con átomos porque los átomos son extremadamente pequeños y casi transparentes. Conseguir que la luz interactuara con ellos con suficiente fuerza fue un desafío constante.
Un nuevo diseño utilizando una microlente.
En lugar de depender de muchas reflexiones repetidas, el equipo de Stanford giró la microlente para enfocar estrechamente la luz en un solo átomo dentro de cada cavidad. Incluso con menos rebote de luz, este método ha demostrado ser más eficaz para extraer información cuántica de los átomos.
“Hemos creado un nuevo tipo de arquitectura de cavidad; ya no son sólo dos espejos”, dijo Adam Shaw, miembro científico de Stanford y primer autor del estudio. “Esperamos que esto nos permita construir computadoras cuánticas distribuidas dramáticamente más rápidas que puedan comunicarse entre sí a velocidades de datos mucho más rápidas”.
Más allá de los límites binarios de la informática clásica
Las computadoras convencionales procesan información utilizando bits que representan ceros o unos. Las computadoras cuánticas funcionan mediante qubits, que se basan en el estado cuántico de partículas diminutas. Un qubit puede representar cero, uno o ambos estados al mismo tiempo, lo que permite a los sistemas cuánticos realizar ciertos cálculos de manera mucho más eficiente que las máquinas clásicas.
“Una computadora clásica tiene que analizar las posibilidades una por una, hasta encontrar la respuesta correcta”, dijo Simon. “Pero una computadora cuántica actúa como auriculares con cancelación de ruido que comparan combinaciones de respuestas, amplificando las correctas y amortiguando las incorrectas”.
Escalando hacia supercomputadoras cuánticas
Los científicos estiman que una computadora cuántica necesitaría millones de qubits para superar a las supercomputadoras más poderosas de la actualidad. Según Simon, alcanzar ese nivel probablemente requeriría que muchas computadoras cuánticas estuvieran conectadas en grandes redes. La interfaz paralela basada en luz demostrada en este estudio proporciona una base eficiente para ampliar a esos tamaños.
Los investigadores demostraron una matriz funcional de 40 cavidades en el estudio actual, junto con un sistema de prueba de concepto que contiene más de 500 cavidades. Su próximo objetivo es expandirse a cientos de miles. De cara al futuro, el equipo imagina centros de datos cuánticos en los que ordenadores cuánticos individuales se conecten a través de interfaces de red basadas en cavidades para crear superordenadores cuánticos a gran escala.
Amplias implicaciones científicas y tecnológicas.
Aún quedan importantes obstáculos de ingeniería, pero los investigadores creen que los beneficios potenciales son sustanciales. Las computadoras cuánticas a gran escala podrían conducir a avances en el diseño de materiales y la síntesis química, incluidas aplicaciones en el descubrimiento de fármacos, así como avances en el descifrado de códigos.
La capacidad de captar luz de manera eficiente tiene implicaciones más allá de la informática. Los conjuntos de cavidades pueden mejorar la biodetección y la microscopía, respaldando los avances en la investigación médica y biológica. Las redes cuánticas podrían contribuir a la astronomía al habilitar telescopios ópticos con mayor resolución, lo que potencialmente permitiría a los científicos observar directamente planetas que orbitan estrellas fuera de nuestro sistema solar.
“A medida que comprendamos más acerca de cómo podemos manipular la luz a nivel de una sola partícula, creo que transformaremos nuestra capacidad de ver el mundo”, dijo Shaw.
Simon es catedrático Joan Reinhart de Física y Física Aplicada. Shaw es miembro de Felix Bloch y de Urbanek-Chodorow.
Otros coautores de Stanford incluyen a David Schuster, profesor de Física Aplicada Joan Reinhart, y los estudiantes de doctorado Anna Soper, Daniel Shadmani y Da-Yeon Koh.
Otros coautores incluyen investigadores de la Universidad Stony Brook, la Universidad de Chicago, la Universidad de Harvard y la Universidad Estatal de Montana.
Esta investigación recibió el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, la Oficina de Investigación del Ejército, la Fundación Hertz y el Departamento de Defensa de EE. UU.
Matt Jaffe y Simon, de la Universidad Estatal de Montana, trabajan como consultores de opciones sobre acciones en Atom Computing. Shadmani, Jaffe, Schuster y Simon, así como Aishwarya Kumar de Stony Brook, poseen una patente sobre la geometría de resonancia demostrada en este trabajo.
