Investigadores del ejército de Estados Unidos predicen que los circuitos de computadoras cuánticas que ya no necesitarán temperaturas extremadamente frías para funcionar podrían convertirse en realidad después de aproximadamente una década. Durante años, la tecnología cuántica de estado sólido que funciona a temperatura ambiente parecía remota. Si bien la aplicación de cristales transparentes con no linealidades ópticas había surgido como la ruta más probable hacia este hito, la plausibilidad de dicho sistema siempre estuvo en duda. Ahora se ha confirmado oficialmente la validez de este enfoque. El doctor Kurt Jacobs, del US Army Combat Capabilities Development Command’s Army Research Laboratory, en colaboración con el doctor Mikkel Heuck y el profesor Dirk Englund, del Instituto de Tecnología de Massachusetts, ha sido el primero en demostrar la viabilidad de una puerta de lógica cuántica compuesta por circuitos fotónicos y cristales ópticos. Publican resultados en ‘Physical Review Letters’. “Si los dispositivos futuros que usan tecnologías cuánticas requieren enfriamiento a temperaturas muy frías, entonces esto los hará caros, voluminosos y hambrientos de energía –afirma Heuck en un comunicado–. Nuestra investigación tiene como objetivo desarrollar futuros circuitos fotónicos que puedan manipular el entrelazamiento requerido para dispositivos cuánticos a temperatura ambiente”. La tecnología cuántica ofrece una gama de avances futuros en informática, comunicaciones y teledetección. Para realizar cualquier tipo de tarea, las computadoras clásicas tradicionales trabajan con información totalmente determinada. La información se almacena en muchos bits, cada uno de los cuales puede estar activado o desactivado. Una computadora clásica, cuando recibe una entrada especificada por un número de bits, puede procesar esta entrada para producir una respuesta, que también se da como un número de bits. Una computadora clásica procesa una entrada a la vez. Por el contrario, las computadoras cuánticas almacenan información en qubits que pueden estar en un estado extraño donde están tanto encendidas como apagadas al mismo tiempo. Esto permite que una computadora cuántica explore las respuestas a muchas entradas al mismo tiempo. Si bien no puede generar todas las respuestas a la vez, puede generar relaciones entre estas respuestas, lo que le permite resolver algunos problemas mucho más rápido que una computadora clásica. Desafortunadamente, uno de los principales inconvenientes de los sistemas cuánticos es la fragilidad de los extraños estados de los qubits. La mayoría del hardware prospectivo para la tecnología cuántica debe mantenerse a temperaturas extremadamente frías, cercanas a cero grados Kelvin, para evitar que los estados especiales se destruyan al interactuar con el entorno de la computadora. “Cualquier interacción que tenga un qubit con cualquier otra cosa en su entorno comenzará a distorsionar su estado cuántico –señala Jacobs–. Por ejemplo, si el ambiente es un gas de partículas, mantenerlo muy frío hace que las moléculas de gas se muevan lentamente, por lo que no chocan tanto en los circuitos cuánticos”. Los investigadores han dirigido varios esfuerzos para resolver este problema, pero aún no se ha encontrado una solución definitiva. Por el momento, los circuitos fotónicos que incorporan cristales ópticos no lineales han surgido actualmente como la única ruta viable para la computación cuántica con sistemas de estado sólido a temperatura ambiente. “Los circuitos fotónicos son un poco como los circuitos eléctricos, excepto que manipulan la luz en lugar de las señales eléctricas –comenta Englund–. Por ejemplo, podemos hacer canales en un material transparente que los fotones viajarán hacia abajo, un poco como las señales eléctricas que viajan a lo largo de los cables”. A diferencia de los sistemas cuánticos que usan iones o átomos para almacenar información, los sistemas cuánticos que usan fotones pueden evitar la limitación de temperatura fría. Sin embargo, los fotones aún deben interactuar con otros fotones para realizar operaciones lógicas. Aquí es donde entran en juego los cristales ópticos no lineales. Los investigadores pueden diseñar cavidades en los cristales que atrapan temporalmente los fotones en su interior. A través de este método, el sistema cuántico puede establecer dos estados posibles diferentes que puede contener un qubit: una cavidad con un fotón (encendido) y una cavidad sin un fotón (apagado). Estos qubits pueden formar puertas lógicas cuánticas, que crean el marco para los estados extraños. En otras palabras, los investigadores pueden usar el estado indeterminado de si un fotón está o no en una cavidad de cristal para representar un qubit. Las puertas lógicas actúan sobre dos qubits juntos, y pueden crear un “entrelazamiento cuántico” entre ellas. Este entrelazamiento se genera automáticamente en una computadora cuántica y es necesario para los enfoques cuánticos de las aplicaciones de detección. Sin embargo, los científicos basaron la idea de hacer puertas de lógica cuántica utilizando cristales ópticos no lineales completamente en especulación, hasta este punto. Si bien mostró una promesa inmensa, quedaban dudas sobre si este método podría incluso conducir a puertas lógicas prácticas. La aplicación de cristales ópticos no lineales había permanecido en duda hasta que los investigadores del laboratorio del Ejército y el MIT presentaron una forma de realizar una puerta lógica cuántica con este enfoque utilizando componentes de circuitos fotónicos establecidos. “El problema era que si uno tiene un fotón viajando en un canal, el fotón tiene un ‘paquete de ondas’ con una cierta forma –subraya Jacobs–. Para una compuerta cuántica, necesita que los paquetes de ondas de fotones permanezcan igual después de la operación de la compuerta. Dado que las no linealidades distorsionan los paquetes de ondas, la pregunta era si podía cargar el paquete de ondas en las cavidades, hacer que interactúen a través de una no linealidad, y luego emiten los fotones nuevamente para que tengan los mismos paquetes de ondas con los que comenzaron”. Una vez que diseñaron la puerta de lógica cuántica, los investigadores realizaron numerosas simulaciones por computadora del funcionamiento de la puerta para demostrar que, en teoría, podría funcionar adecuadamente. La construcción real de una puerta de lógica cuántica con este método requerirá primero mejoras significativas en la calidad de ciertos componentes fotónicos, dijeron los investigadores. “Con base en el progreso realizado en la última década, esperamos que tome alrededor de diez años para que se realicen las mejoras necesarias –concluye Heuck–. Sin embargo, el proceso de cargar y emitir un paquete de onda sin distorsión es algo que deberíamos poder realizar con la tecnología experimental actual, por lo que es un experimento en el que trabajaremos a continuación”. --

Con información de Noticieros Televisa

Foto: Noticieros Televisa