Computadora cuántica óptica programable: la recién llegada llega a la cima

No hay duda de que la computación cuántica ha avanzado mucho en 20 años. Hace veinte años, la tecnología cuántica óptica parecía la ruta más prometedora. Es fácil almacenar información en el estado cuántico de fotones. También es fácil manipular estos estados utilizando ópticas estándar y los resultados de la medición son relativamente poco importantes. La computación cuántica es solo una nueva aplicación de experimentos cuánticos existentes que demuestran la facilidad de uso del sistema y brindan a la tecnología óptica una ventaja temprana.

Pero una clave de la computación cuántica es la capacidad de cambiar el estado de un qubit en función del estado de otro. Si bien esto es posible en la computación cuántica óptica, es engorroso. Normalmente, las operaciones en dos (o más) qubits son operaciones no lineales y los procesos ópticos no lineales son muy ineficientes. También existen operaciones lineales de dos qubits, pero son probabilísticas, por lo que es necesario repetir el cálculo muchas veces para confirmar cuál es la respuesta correcta.

El segundo factor clave es la programabilidad. No es recomendable construir una computadora nueva cada vez que se realiza una tarea informática. Las computadoras cuánticas ópticas realmente no parecen tener ninguna ventaja en este aspecto. Las computadoras cuánticas ópticas pueden ser fáciles de construir y medir, o pueden ser programables, pero no ambas cosas.

Mientras tanto, las empresas privadas apuestan por poder superar los desafíos que enfrentan los subqubits de transporte superconductores y las trampas de iones. Para la ruta superconductora, los ingenieros pueden utilizar la experiencia adquirida en cableado de placas de circuito impreso e ingeniería de radiofrecuencia para ampliar la cantidad de qubits y mejorar su calidad. En cuanto a las trampas de iones, los ingenieros ya saben que los qubits son de alta calidad y duraderos, por lo que necesitan urgentemente ampliar el número de qubits.

Los ordenadores cuánticos ópticos parecen condenados al fracaso.

Entonces, ¿qué cambia la viabilidad de los ordenadores cuánticos ópticos? La última década ha sido testigo de muchos avances. Uno es la llegada de detectores que pueden detectar la cantidad de fotones recibidos. Todo el trabajo anterior se basó en detectores de fotón único, que pueden detectar la presencia o ausencia de fotones. Puede asegurarse de detectar un solo fotón y no todo el haz de fotones.

Los ordenadores cuánticos están limitados por el hecho de que los detectores de fotón único no pueden distinguir entre uno, dos, tres o más fotones. Los cálculos complejos requieren muchos fotones individuales, todos los cuales deben controlarse, configurarse y leerse. A medida que aumenta el número de operaciones, la probabilidad de éxito disminuye drásticamente. Por lo tanto, se debe ejecutar el mismo cálculo muchas, muchas veces antes de poder determinar la respuesta correcta.

Al utilizar detectores de resolución de números de fotones, los científicos ya no están limitados a los estados codificados en un solo fotón. Ahora se puede explotar el estado del número de fotones. En otras palabras, un qubit puede estar en una superposición de diferentes números de fotones (0, 1, 2 o más).

El segundo avance clave son los circuitos ópticos integrados. Las tecnologías de óptica integrada existen desde hace algún tiempo, pero aún no han alcanzado la precisión y confiabilidad de los circuitos integrados. Las cosas han cambiado ahora. A medida que los ingenieros adquieren más experiencia en tecnología de fabricación y diseño de circuitos ópticos, los chips ópticos que fabrican son cada vez mejores. La tecnología de óptica integrada se utiliza actualmente comúnmente en la industria de las telecomunicaciones, lo que demuestra su escala y confiabilidad.

Gracias a estos avances, los investigadores ahora pueden diseñar y personalizar fácilmente sus chips cuánticos ópticos desde la fábrica, algo que era inimaginable hace menos de una década. Entonces, en cierto sentido, esta es una historia de 20 años sobre el desarrollo de la tecnología subyacente.

Investigadores de una startup llamada Xanadu y NIST unieron estos desarrollos tecnológicos para producir un chip óptico integrado que produce ocho qubits. Los fotones pasan por un circuito formado por un interferómetro Mach-Zehnder para completar el cálculo. En el circuito, cada qubit interfiere consigo mismo o con otros qubits en cada interferómetro.

A medida que cada qubit pasa a través del interferómetro, su orientación está determinada por su estado y los parámetros del interferómetro. Su orientación determinará a qué interferómetro se moverá a continuación y, en última instancia, su posición cuando abandone el dispositivo.

Los parámetros del interferómetro son los mandos que utiliza el programador para controlar el cálculo. En funcionamiento real, la perilla solo cambia la temperatura de un único segmento de guía de ondas. Pero los desarrolladores de programas no tienen que preocuparse por estos detalles. En cambio, Xanadu proporciona una interfaz de programación invocable (Biblioteca Strawberry Fields Python). Después de que el programador escribe el código, el sistema de control lo compila y luego se puede controlar la diferencia de temperatura en el chip.

Para demostrar que su chip era versátil, los investigadores realizaron una serie de cálculos diferentes. La primera tarea es cuántos estados diferentes puede generar la computadora en un tiempo determinado. Posteriormente, los investigadores lo utilizaron para calcular con éxito el estado vibratorio del etileno. Estos ejemplos cuidadosamente seleccionados son ideales para una computadora cuántica de 8 qubits.

El tercer cálculo implica calcular la similitud del gráfico. Es un ejercicio de coincidencia de patrones, como el reconocimiento facial. Por supuesto, estas tramas son simples, pero nuevamente la máquina funciona bien. Según los autores, esta es la primera vez que se demuestra la similitud gráfica en una computadora cuántica.

Quizás los ordenadores cuánticos ópticos estén sobrevalorados. Sin embargo, esta es una gran mejora. No existen grandes barreras para escalar a una mayor cantidad de qubits. Pero los investigadores tendrán que reducir las pérdidas de fotones de la guía de ondas, así como las fugas del láser conductor (actualmente, parte de la luz se filtra en los circuitos informáticos, lo cual no es deseable). Además, se debe escalar la gestión térmica. Pero a diferencia de los prototipos anteriores de computación cuántica óptica, estos no son obstáculos para una "tecnología completamente nueva".

Más importante aún, el escalado no añade mucha complejidad. En la ruta superconductora, un qubit superconductor es un bucle de corriente en un campo magnético. Cada qubit genera un campo que interfiere con otros qubits. Los ingenieros tuvieron que acoplar y desacoplar minuciosamente los qubits en el momento justo. Cuanto más grande es el sistema, más difícil se vuelve la tarea. Las computadoras con trampa de iones enfrentan problemas similares en sus modos de trampa. No existen problemas similares en los sistemas ópticos, que es su principal ventaja.