Crean un dispositivo clave para lograr computadoras cuánticas con millones de bits

Los ordenadores cuánticos prometen un enorme aumento de la velocidad en la resolución de algunos cálculos muy laboriosos, e incluso imposibles para la computación actual, gracias a que aprovechan las exóticas propiedades de la mecánica cuántica. Cada bit en un ordenador normal solo puede tener un valor de cero o de uno. En cambio, los bits cuánticos pueden adoptar un estado de 0, 1 o simultáneamente ambos. Esta superposición cuántica, como se conoce a tal fenómeno, permite a las computadoras cuánticas ejecutar cálculos dificilísimos, que los ordenadores convencionales no pueden resolver.

Por desgracia, los bits cuánticos tienden a ser muy frágiles e inestables, por lo que conseguir arquitecturas operativas con una cantidad de bits cuánticos superior a unos pocos cientos ha venido siendo un reto muy difícil. Para aprovechar debidamente las capacidades de la computación cuántica se necesitarán ordenadores con cientos de miles de bits cuánticos como mínimo.

Unos investigadores han logrado un gran avance en la computación cuántica con un nuevo dispositivo que, siendo casi 100 veces más pequeño que el grosor de un cabello humano, es capaz de controlar eficientemente los láseres necesarios para manejar con la estabilidad requerida miles o incluso millones de bits cuánticos, capacitando así la computación cuántica a gran escala.

El logro es obra de un equipo integrado, entre otros, por Jacob M. Freedman, de la Universidad de Colorado en Boulder, y Matt Eichenfield, de la de Arizona en Tucson, ambas en Estados Unidos.

Chip óptico desarrollado en esta línea de investigación, con luz láser procedente de un conjunto de fibras ópticas. (Imagen: Jake Freedman)

Otro aspecto importante del nuevo dispositivo es que se fabrica sin requerir procesos complejos y especializados. Los procesos usados son los que ya se utilizan para la tecnología de los procesadores presentes en ordenadores, teléfonos modernos, algunos vehículos, electrodomésticos de última generación y prácticamente todo aparato nuevo que funciona con electricidad (incluso tostadoras). Esto hace que el nuevo dispositivo, además de ser muy eficiente, resulte fácil y barato de fabricar.

El nuevo dispositivo, mediante una frecuencia de oscilación de miles de millones de veces por segundo, manipula luz láser con extraordinaria precisión.

Estas oscilaciones ultrarrápidas proporcionan un control directo sobre la fase de un haz láser, lo que permite al chip generar nuevas frecuencias láser con alta estabilidad y eficiencia, siendo todo ello esencial para el desarrollo de tecnologías de computación cuántica, detección cuántica y redes cuánticas.

Entre los principales enfoques de diseño para hardware de computación cuántica, figura el basado en sistemas de iones atrapados y átomos neutros atrapados, que almacenan información en átomos individuales. Para manejar estos bits cuánticos, hay que actuar sobre cada átomo mediante rayos láser precisos, lo que permite darle a cada uno las instrucciones para realizar los cálculos deseados. La frecuencia de cada láser debe ajustarse con una precisión extrema.

Hoy en día, estos cambios de frecuencia se realizan mediante voluminosos aparatos que consumen cantidades considerables de energía.

Tales aparatos funcionan bien para pequeños experimentos de laboratorio y ordenadores cuánticos con una cantidad muy modesta de bits cuánticos, pero no pueden dar servicio debidamente a las decenas de miles o los cientos de miles de canales ópticos necesarios para los futuros ordenadores cuánticos.

El nuevo tipo de dispositivo sí es capaz de controlar cantidades muy grandes de bits cuánticos y además con un consumo energético muy inferior al de los dispositivos empleados hasta ahora.

Freedman, Eichenfield y sus colegas exponen los detalles técnicos de su nuevo controlador de bits cuánticos en la revista académica Nature Communications, bajo el título “Gigahertz-frequency acousto-optic phase modulation of visible light in a CMOS-fabricated photonic circuit”. (Fuente: NCYT de Amazings)