By: Tim Wogan
(Cortesía: Instituto Max Planck de Óptica Cuántica)
nvestigadores en Alemania han realizado una operación de puerta cuántica entre dos bits cuánticos (qubits) en diferentes laboratorios. Esto marca un paso hacia la lógica cuántica distribuida, mediante la cual los diseñadores de sistemas podrían construir computadoras cuánticas modulares, distribuyendo qubits entre diferentes dispositivos y permitiéndoles comportarse como una sola computadora. Los sistemas distribuidos evitarían la diafonía entre qubits, lo que degrada los cálculos cuánticos.
Agregar qubits a una computadora cuántica es mucho más complicado que agregar bits a una clásica, ya que cada qubit (que puede ser un ión atrapado, un circuito superconductor, un centro de vacantes de nitrógeno de diamante o muchas otras manifestaciones físicas de un estado cuántico) debe ser capaz de sufrir las interacciones lógicas necesarias y al mismo tiempo estar protegido del ruido, que puede destruir la información cuántica.
Una fuente de ruido significativa es la interferencia entre múltiples qubits: “Digamos que hay tres o cuatro qubits en un dispositivo y desea hacer una puerta entre solo dos de ellos”, explica Severin Daiss del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching; “Como están todos en un dispositivo, aún puede tener diafonía de esos dos qubits con los otros qubits que no deberían participar en el cálculo”. Cuantos más qubits se agreguen a un solo dispositivo, más severo se vuelve el problema de la diafonía. Otros factores que causan problemas en plataformas específicas son la dificultad de abordar qubits específicos en registros grandes, espacio restringido y problemas con la eliminación de calor de muestras criogénicas grandes.
Varios dispositivos
Una forma posible de escalar una computadora cuántica sin escalar los problemas asociados sería distribuir los qubits entre múltiples dispositivos. Sin embargo, esto requeriría integrar las operaciones lógicas cuánticas realizadas en cada dispositivo: “Si solo calcula un resultado con un módulo y envía el estado a otro módulo, todavía no está aumentando el espacio computacional que tiene”, explica Daiss. La “teletransportación de puertas cuánticas”, la construcción de puertas cuánticas cuya salida está condicionada al estado de una puerta de entrada en otro lugar, se ha convertido, por lo tanto, en un campo activo de investigación. Tales puertas se han demostrado entre iones en la misma trampa y circuitos superconductores en un solo criostato, y uno con qubits fotónicos, aunque con una tasa de éxito mínima.
En la nueva investigación, Daiss y sus colegas dirigidos por Gerhard Rempe revelan una puerta radicalmente diferente y conceptualmente más simple que se basa en la interacción de un solo fotón con módulos en dos laboratorios diferentes. En cada laboratorio, instalaron una cavidad óptica que contiene un solo átomo de rubidio y unen los dos sistemas utilizando una fibra óptica de 60 :: m. Para implementar la puerta, envían un fotón como un “qubit volador” a lo largo de la fibra y lo reflejan sucesivamente desde las dos cavidades, entrelazando así su polarización con los niveles de energía del rubidio. Luego, una medición del fotón se combina con una retroalimentación condicional en el qubit para realizar una puerta CNOT, uno de los componentes clave de la lógica cuántica.
Puerta cuántica anunciada
El protocolo produce una puerta cuántica “anunciada” en la que la detección del fotón señala una operación de puerta exitosa. En el futuro, esto podría resultar crucial para producir una computadora cuántica confiable, ya que la confirmación de que cada puerta sucesiva ha funcionado es importante si se conectan varias puertas en secuencia. En teoría, otras plataformas podrían producir puertas cuánticas utilizando el protocolo de los investigadores, dice Daiss, si el qubit pudiera acoplarse con suficiente fuerza a una cavidad o resonador. Por ejemplo, esto ya se ha logrado con iones atrapados o qubits superconductores.
En el futuro, dice Daiss, el siguiente paso sería conectar módulos que comprendan más de un qubit y producir computadoras con más de un módulo: “Podríamos ir en cualquier dirección, y ambas direcciones se beneficiarán del trabajo que estamos haciendo en el momento ”, concluye.
Ronald Hanson, de la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos, cree que el documento marca un importante paso adelante: “Solo tienen este fotón dispersándose por un lado, yendo al otro lado y luego lo mides. Conceptualmente es súper simple y demuestran que funciona “. él dice. “Así que es el hecho de que se anuncia y su eficiencia, creo que esa es la verdadera novedad del trabajo”.
