Nueva arquitectura de computación cuántica

Las computadoras cuánticas serán capaces de realizar tareas que resultan inabordables incluso para las supercomputadoras más potentes del mundo. Se prevé utilizar en el futuro la computación cuántica para infinidad de retos científicos, desde desentrañar los entresijos de la estructura de materiales, hasta simular la química cuántica, por citar dos ejemplos, y también servirá para optimizar tareas difíciles, todo ello con repercusiones potenciales en todos los campos, desde el financiero hasta el de la industria farmacéutica.

Sin embargo, para hacer realidad lo que se espera de la computación cuántica, se necesita un hardware resistente y ampliable. Uno de los retos que plantea la construcción de un ordenador cuántico a gran escala es que los investigadores deben encontrar una forma eficaz de interconectar los nodos de información cuántica, es decir, nodos de procesamiento a menor escala separados en un chip de ordenador. Sin embargo, las computadoras cuánticas son radicalmente distintas de los ordenadores convencionales en muchas cosas, y debido a ello, las técnicas convencionales utilizadas para comunicar información electrónica no son trasladables directamente a los dispositivos cuánticos. No obstante, un requisito es seguro: ya sea a través de una interconexión clásica u otra cuántica, la información transportada debe transmitirse y recibirse.

Con este fin, el equipo de Bharath Kannan, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Estados Unidos, ha desarrollado una arquitectura de computación cuántica que permitirá una comunicación extensible y de alta fidelidad entre procesadores cuánticos superconductores.

Kannan y sus colegas han demostrado el primer paso, la emisión determinista de fotones individuales (portadores de información) en una dirección especificada por el usuario. Su método garantiza que la información cuántica fluya en la dirección correcta más del 96 por ciento de las veces.

La conexión de varios de estos módulos permite crear una red más amplia de procesadores cuánticos interconectados entre sí, independientemente de su separación física en un chip informático.

Las interconexiones cuánticas son un paso crucial hacia arquitecturas modulares que permitan crear máquinas a mayor escala, construidas a partir de componentes individuales más pequeños, tal como destaca Kannan.

En un ordenador clásico, los distintos componentes principales desempeñan distintas funciones, como memoria, cálculo, etcétera. La información electrónica, codificada y almacenada en forma de bits (que toman el valor de cero o uno), se transporta entre estos componentes mediante interconexiones, que son cables por los que se mueven electrones en un procesador informático.

Pero la información cuántica es más compleja. En vez de tener solo uno de dos valores posibles (0 o 1), la información cuántica puede ser 0 y 1 simultáneamente (un fenómeno conocido como superposición cuántica). Además, la información cuántica puede ser transportada por partículas de luz, llamadas fotones. Estas complejidades añadidas hacen que la información cuántica sea frágil y no pueda transportarse de manera sencilla mediante protocolos convencionales.

La computación cuántica difiere de la convencional en muchas cosas. Por ejemplo, la información cuántica se almacena en bits cuánticos. Los estados de un bit cuántico pueden sustentarse en fotones. La ilustración recrea esto último. (Imagen: Jorge Munnshe para NCYT de Amazings)

Una red cuántica enlaza nodos de procesamiento mediante fotones que viajan a través de interconexiones especiales conocidas como guías de ondas. Una guía de ondas puede ser unidireccional, y mover un fotón solo hacia la izquierda o hacia la derecha, o puede ser bidireccional.

La mayoría de las arquitecturas existentes utilizan guías de ondas unidireccionales, que son más fáciles de implementar, ya que la dirección en la que viajan los fotones se establece fácilmente. Pero como cada guía de ondas solo mueve fotones en una dirección, se necesitan más guías a medida que se amplía la red cuántica, lo que dificulta su operatividad a gran escala. Además, las guías de ondas unidireccionales suelen incorporar componentes adicionales para reforzar la direccionalidad, lo que introduce errores de comunicación.

Es posible prescindir de estos componentes problemáticos si se dispone de una guía de ondas que admita la propagación en ambos sentidos, o sea tanto hacia la izquierda como hacia la derecha en el caso del ejemplo citado, y de un método para elegir la dirección a voluntad. Esta transmisión ajustable es lo que ha demostrado el equipo de Kannan, y es el primer paso hacia una comunicación bidireccional con niveles de fidelidad mucho mayores.

Utilizando la nueva arquitectura, se pueden agregar múltiples módulos de procesamiento a lo largo de una guía de ondas. Una característica destacable del diseño de la arquitectura es que el mismo módulo puede utilizarse como transmisor y receptor. Y los fotones pueden ser enviados y captados por dos módulos cualesquiera a lo largo de una guía de ondas compartida.

Kannan y sus colegas exponen los detalles técnicos de su nueva arquitectura de computación cuántica en la revista académica Nature Physics, bajo el título “On-Demand Directional Microwave Photon Emission Using Waveguide Quantum Electrodynamics”. (Fuente: NCYT de Amazings)