Computación cuántica de alta dimensión gracias a una nueva puerta lógica

Una nueva clase de computación cuántica, la denominada como “de alta dimensión”, que es muchísimo más potente que la normal, puede ser ahora viable tecnológicamente gracias a la creación de una puerta lógica adecuada.

La descripción básica de las computadoras cuánticas es bastante simple: aunque un ordenador clásico solo funciona con los valores "0" y "1", la física cuántica permite combinaciones arbitrarias de estos estados. En cierto sentido, un bit cuántico puede estar en los estados 0 y 1 simultáneamente. Esto permite desarrollar algoritmos que resuelven algunos problemas mucho más rápido que un ordenador clásico comparable.

Sin embargo, estas superposiciones pueden, en principio, implicar más de dos estados. Dependiendo del grado de libertad que se considere, un sistema cuántico con un fotón puede tener no solo dos configuraciones diferentes (dos resultados distintos de una medición), sino muchas. En este caso, el sistema se denomina "dit" cuántico en vez de “bit” cuántico.

Para la computación cuántica, esto puede conllevar ventajas significativas, pero el problema ha venido siendo que se requiere un componente que hasta ahora no había sido posible crear con suficiente fiabilidad de funcionamiento: un mecanismo mediante el cual dos de estos dits cuánticos puedan interactuar de forma controlada.

Aquí es donde entra en juego la innovación pionera conseguida por un equipo que incluye, entre otros, a Nicolai Friis, de la Universidad Técnica de Viena en Austria, y Zhi-Feng Liu, de la Universidad de Nankín en China.

Este equipo ha logrado diseñar un sistema con puerta lógica cuántica para procesar conjuntamente dos dits cuánticos codificados en dos fotones y luego lo ha puesto en práctica con éxito. Es posible que el nuevo tipo de puerta lógica cuántica acabe revolucionando la computación cuántica.

Recreación artística de la nueva puerta cuántica. (Imagen: Alexander Rommel / TU Wien)

Hasta ahora, los experimentos de computación cuántica con fotones se han venido llevando a cabo basándose a menudo en la polarización de los fotones, una propiedad con dos posibles resultados de medición. Desde el punto de vista de la física cuántica, el fotón puede estar en una superposición de estas dos opciones, algo así como lo es para una persona moverse simultáneamente al norte y al este gracias a caminar hacia el nordeste.

“Usamos los fotones de una manera fundamentalmente diferente”, explica Friis. “No nos interesa la polarización, sino la forma de onda espacial de los fotones, que puede estar en innumerables estados diferentes, correspondientes a diferentes momentos angulares orbitales”.

Friis y sus colegas han desarrollado un procedimiento que funciona con dos de estos fotones: ambos pueden estar en superposiciones arbitrarias de diferentes formas de onda. Mediante una sofisticada manipulación, dos fotones inicialmente independientes pueden unirse en un estado conocido como “entrelazamiento cuántico”. Asimismo, la nueva puerta cuántica también puede utilizarse para separar de forma controlada dos fotones entrelazados cuánticamente y así volver a independizarlos.

Precisamente esta operación (la acción de una puerta de entrelazamiento cuántico) es necesaria para construir computadoras cuánticas y realizar cálculos con múltiples entradas. Para un primer experimento, los investigadores decidieron trabajar con cuatro estados diferentes. "Es como si, además de las direcciones Norte-Sur y Este-Oeste, se tuviera acceso a dos ejes adicionales", explica Friis. "En cierto sentido, nos movemos en un espacio de cuatro dimensiones, y podemos trabajar con combinaciones arbitrarias de dichos estados". De ahí el término “alta dimensión” aplicado a la computación cuántica.

Friis y sus colegas exponen los detalles técnicos de su innovación en la revista académica Nature Photonics, bajo el título “Heralded high-dimensional photon–photon quantum gate”. (Fuente: NCYT de Amazings)