Los científicos de la Universidad de Bristol y la Universidad Técnica de Dinamarca han encontrado una nueva y prometedora forma de construir la próxima generación de simuladores cuánticos que combinan micro chips de luz y silicio.
En la hoja de ruta para desarrollar máquinas cuánticas capaces de competir y superar las supercomputadoras clásicas para resolver problemas específicos, la comunidad científica se enfrenta a dos desafíos tecnológicos principales.
El primero es la capacidad de construir grandes circuitos cuánticos capaces de procesar la información en una escala masiva, y el segundo es la capacidad de crear una gran cantidad de partículas cuánticas individuales que pueden codificar y propagar la información cuántica a través de dichos circuitos.
Ambos requisitos deben cumplirse para desarrollar una tecnología cuántica avanzada capaz de superar las máquinas clásicas.
Una plataforma muy prometedora para enfrentar tales desafíos es la fotónica cuántica de silicio. En esta tecnología, la información que transportan los fotones, una sola partícula de luces, se genera y procesa en micro chips de silicio.
Estos dispositivos guían y manipulan la luz a nanoescala utilizando guías de onda integradas, el análogo de las fibras ópticas a escala nanométrica.
Fundamentalmente, la fabricación de chips fotónicos requiere las mismas técnicas utilizadas para fabricar micro chips electrónicos en la industria de semiconductores, lo que hace posible la fabricación de circuitos cuánticos a una escala masiva.
En los Laboratorios de Tecnología de Ingeniería Cuántica QET de la Universidad de Bristol, el equipo demostró recientemente chips fotónicos de silicio que incorporan interferómetros cuánticos compuestos de casi mil componentes ópticos, órdenes de magnitud más altos que lo que era posible hace solo unos años.
Sin embargo, la gran pregunta que quedó sin respuesta fue si estos dispositivos también podían producir una cantidad de fotones lo suficientemente grande como para realizar tareas computacionales cuánticas útiles. La investigación dirigida por Bristol, publicada hoy en la revista Física de la naturaleza , demuestra que esta pregunta tiene una respuesta positiva.
Al explorar los desarrollos tecnológicos recientes en la fotónica cuántica de silicio, el equipo ha demostrado que incluso los circuitos fotónicos de silicio a pequeña escala pueden generar y procesar una cantidad de fotones sin precedentes en la fotónica integrada.
De hecho, debido a imperfecciones en el circuito, como las pérdidas de fotones, las demostraciones anteriores en fotónica integrada se han limitado principalmente a experimentos con solo dos fotones generados y procesados en chip, y solo el año pasado, se informaron experimentos de cuatro fotones utilizandocircuitería compleja.
En el trabajo, al mejorar el diseño de cada componente integrado, el equipo muestra que incluso los circuitos simples pueden producir experimentos con hasta ocho fotones, el doble que el registro anterior en fotónica integrada. Además, su análisis muestra que al ampliar la escalaLa complejidad del circuito, que es una gran capacidad de la plataforma de silicio, permite realizar experimentos con más de 20 fotones, un régimen en el que se espera que las máquinas cuánticas fotónicas superen a las mejores supercomputadoras clásicas.
El estudio también investiga posibles aplicaciones para tales procesadores cuánticos fotónicos a corto plazo que ingresan a un régimen de ventaja cuántica.
En particular, al reconfigurar el tipo de no linealidad óptica en el chip, demostraron que los chips de silicio se pueden usar para realizar una variedad de tareas de simulación cuántica, conocidas como problemas de muestreo de bosones.
Para algunos de estos protocolos, por ejemplo, el Gaussian Boson Sampling, esta nueva demostración es la primera del mundo.
El equipo también demostró que, utilizando tales protocolos, los dispositivos cuánticos de silicio podrán resolver problemas relevantes a nivel industrial. En particular, muestran cómo el problema químico de encontrar las transiciones vibratorias en las moléculas que experimentan una transformación electrónica puede simularse en nuestro tipode dispositivos que utilizan el muestreo gaussiano de bosones.
El autor principal, Dr. Stefano Paesani, del Centro de Nanociencia e Información Cuántica de la Universidad de Bristol, dijo: "Nuestros hallazgos muestran que los simuladores cuánticos fotónicos que superan a las supercomputadoras clásicas son una perspectiva realista a corto plazo para la plataforma de fotónica cuántica de silicio".
"El desarrollo de tales máquinas cuánticas puede tener impactos potencialmente innovadores en campos industrialmente relevantes como la química, el diseño molecular, la inteligencia artificial y el análisis de grandes datos".
"Las aplicaciones incluyen el diseño de mejores productos farmacéuticos y la ingeniería de estados moleculares capaces de generar energía de manera más eficiente"
El coautor, Dr. Raffaele Santagati, agregó: "Los resultados obtenidos nos hacen confiar en que el hito de las máquinas cuánticas más rápido que cualquier computadora clásica actual está al alcance de la plataforma integrada de fotónica cuántica".
"Si bien es cierto que también otras tecnologías tienen la capacidad de alcanzar dicho régimen, por ejemplo, iones atrapados o sistemas superconductores, el enfoque fotónico tiene la ventaja única de tener las aplicaciones a corto plazo que investigamos. El camino fotónico, aunque peligroso, está configurado y merece la pena seguirlo ".
El profesor Anthony Laing, profesor asociado de física en Bristol supervisó el proyecto. Dijo: "Al cuadruplicar el número de fotones generados y procesados en el mismo chip, el equipo ha preparado el escenario para ampliar los simuladores cuánticos a decenas de fotones".donde las comparaciones de rendimiento con el hardware informático estándar actual adquieren sentido "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Bristol . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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