Nuevo tipo de computadora cuántica

Unos físicos han conseguido entrelazar cuánticamente más de una docena de fotones de forma eficiente y predefinida. El logro establece las bases para un nuevo tipo de ordenador cuántico.

Los fenómenos del mundo cuántico, tan exóticos que a menudo parecen imposibles desde la perspectiva del mundo cotidiano común, pueden sin embargo ser aprovechados para aplicaciones prácticas con tecnología actual o que ya está siendo desarrollada. Por ejemplo, el entrelazamiento cuántico: una conexión cuántica entre partículas que las une de una forma extraña, incluso si se separan hasta distancias colosales. Puede utilizarse, por ejemplo, en una computadora cuántica, una máquina que, a diferencia de un ordenador convencional, puede realizar numerosas operaciones matemáticas simultáneamente. Sin embargo, para utilizar un ordenador cuántico de forma provechosa, una gran cantidad de partículas entrelazadas cuánticamente deben trabajar juntas. Solo de este modo se conseguirá una cantidad lo bastante grande de de bits cuánticos o qubits.

Los fotones, las partículas de la luz, son especialmente adecuados para servir de qubits porque son robustos por naturaleza y fáciles de manipular.

El equipo de Philip Thomas, del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Alemania, ha conseguido ahora dar un paso importante para que los fotones puedan utilizarse de modo verdaderamente práctico en aplicaciones tecnológicas como la computación cuántica: por primera vez, el equipo generó hasta 14 fotones entrelazados cuánticamente de forma predefinida y con alta eficiencia.

La clave para conseguir este entrelazamiento cuántico a la carta y de alta precisión fue que los investigadores utilizaron un solo átomo para emitir los fotones y entrelazarlos cuánticamente de una manera muy específica. Para ello, los investigadores colocaron un átomo de rubidio en el centro de una cavidad óptica, una especie de cámara de eco para las ondas electromagnéticas. Con una luz láser de una determinada frecuencia, se pudo actuar con precisión en el estado del átomo. Mediante un pulso de control adicional, los investigadores también provocaron específicamente la emisión de un fotón entrelazado con el estado cuántico del átomo.

Repitieron este proceso varias veces y de una manera previamente determinada. Mientras, se manipuló el átomo de una manera determinada (en la jerga técnica, se giró). De este modo, se pudo crear una cadena de hasta 14 partículas de luz que se entrelazaron cuánticamente entre ellas por las rotaciones del átomo y que fueron llevadas al estado deseado. Hasta donde saben Thomas y sus colegas, el conjunto de 14 partículas de luz interconectadas es la mayor cantidad de fotones entrelazados cuánticamente que se ha generado en un laboratorio hasta ahora.

Un solo átomo de rubidio está atrapado en un resonador óptico formado por dos espejos altamente reflectantes. La excitación repetida del átomo hace que se emitan sucesivamente varios fotones individuales entrelazados cuánticamente. (Imagen: MPQ)

Pero no es solo la cantidad de fotones entrelazados lo que supone un gran paso hacia el desarrollo de potentes ordenadores cuánticos: la forma en que se generan es también muy diferente de los métodos convencionales. Mediante esos métodos, los fotones entrelazados cuánticamente se establecen esencialmente al azar y de forma incontrolable. Esto también limita la cantidad de partículas que pueden agruparse en un estado colectivo. En cambio, con el nuevo sistema, cada pulso de control entrega realmente un fotón con las propiedades deseadas. Y, básicamente, se puede generar cualquier cantidad de fotones entrelazados.

Además, el nuevo método es mucho más eficiente que los anteriores.

Todo esto puede facilitar la construcción de ordenadores cuánticos que sean lo bastante potentes y robustos.

Thomas y sus colegas exponen los detalles técnicos de su nuevo sistema en la revista académica Nature, bajo el título “Efficient generation of entangled multiphoton graph states from a single atom”. (Fuente: NCYT de Amazings)