Los investigadores del Ejército predicen que los circuitos informáticos cuánticos que ya no necesitarán temperaturas extremadamente frías para funcionar podrían convertirse en realidad después de aproximadamente una década.
Durante años, la tecnología cuántica de estado sólido que funciona a temperatura ambiente parecía remota. Si bien la aplicación de cristales transparentes con no linealidades ópticas había surgido como la ruta más probable hacia este hito, la plausibilidad de dicho sistema siempre estuvo en duda.
Ahora, los científicos del Ejército han confirmado oficialmente la validez de este enfoque. El Dr. Kurt Jacobs, del Laboratorio de Investigación del Ejército del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de los EE. UU., Junto con el Dr. Mikkel Heuck y el Prof. Dirk Englund, del Instituto de Tecnología de Massachusetts, se convirtió en el primero en demostrar la viabilidad de una puerta lógica cuántica compuesta de circuitos fotónicos y cristales ópticos.
"Si los dispositivos futuros que usan tecnologías cuánticas requerirán enfriamiento a temperaturas muy frías, entonces esto los hará caros, voluminosos y hambrientos de energía", dijo Heuck. "Nuestra investigación tiene como objetivo desarrollar futuros circuitos fotónicos que puedanmanipular el enredo requerido para dispositivos cuánticos a temperatura ambiente "
La tecnología Quantum ofrece una gama de avances futuros en informática, comunicaciones y teledetección.
Para realizar cualquier tipo de tarea, las computadoras clásicas tradicionales trabajan con información que está completamente determinada. La información se almacena en muchos bits, cada uno de los cuales puede estar encendido o apagado. Una computadora clásica, cuando recibe una entrada especificada por unnúmero de bits, puede procesar esta entrada para producir una respuesta, que también se da como un número de bits. Una computadora clásica procesa una entrada a la vez.
En contraste, las computadoras cuánticas almacenan información en qubits que pueden estar en un estado extraño donde están tanto encendidas como apagadas al mismo tiempo. Esto permite que una computadora cuántica explore las respuestas a muchas entradas al mismo tiempo. Aunque no puedegenera todas las respuestas a la vez, puede generar relaciones entre estas respuestas, lo que le permite resolver algunos problemas mucho más rápido que una computadora clásica.
Desafortunadamente, uno de los principales inconvenientes de los sistemas cuánticos es la fragilidad de los extraños estados de los qubits. La mayoría del hardware prospectivo para la tecnología cuántica debe mantenerse a temperaturas extremadamente frías, cercanas a cero grados Kelvin, para evitar que los estados especiales seandestruido al interactuar con el entorno de la computadora.
"Cualquier interacción que tenga un qubit con cualquier otra cosa en su entorno comenzará a distorsionar su estado cuántico", dijo Jacobs. "Por ejemplo, si el entorno es un gas de partículas, mantenerlo muy frío mantiene las moléculas de gas en movimientolentamente, para que no se estrellen tanto en los circuitos cuánticos "
Los investigadores han dirigido varios esfuerzos para resolver este problema, pero aún no se ha encontrado una solución definitiva. Por el momento, los circuitos fotónicos que incorporan cristales ópticos no lineales han surgido actualmente como la única ruta viable para la computación cuántica con sistemas de estado sólido entemperatura ambiente.
"Los circuitos fotónicos son un poco como los circuitos eléctricos, excepto que manipulan la luz en lugar de las señales eléctricas", dijo Englund. "Por ejemplo, podemos hacer canales en un material transparente por el que los fotones viajarán, un poco como las señales eléctricas que viajan a lo largocables "
A diferencia de los sistemas cuánticos que usan iones o átomos para almacenar información, los sistemas cuánticos que usan fotones pueden evitar la limitación de temperatura fría. Sin embargo, los fotones aún deben interactuar con otros fotones para realizar operaciones lógicas. Aquí es donde entran los cristales ópticos no linealesjugar.
Los investigadores pueden diseñar cavidades en los cristales que atrapan temporalmente los fotones en su interior. Mediante este método, el sistema cuántico puede establecer dos estados posibles diferentes que puede contener un qubit: una cavidad con un fotón encendido y una cavidad sin un fotón apagadoEstos qubits pueden formar puertas de lógica cuántica, que crean el marco para los estados extraños.
En otras palabras, los investigadores pueden usar el estado indeterminado de si un fotón está o no en una cavidad de cristal para representar un qubit. Las puertas lógicas actúan sobre dos qubits juntos, y pueden crear un "enredo cuántico" entre ellos.generado automáticamente en una computadora cuántica, y es necesario para los enfoques cuánticos de las aplicaciones de detección.
Sin embargo, los científicos basaron la idea de hacer puertas de lógica cuántica usando cristales ópticos no lineales completamente en especulación, hasta este punto. Si bien mostró una gran promesa, persistieron las dudas sobre si este método podría incluso conducir a puertas lógicas prácticas.
La aplicación de cristales ópticos no lineales había permanecido en cuestión hasta que los investigadores del laboratorio del Ejército y el MIT presentaron una forma de realizar una puerta de lógica cuántica con este enfoque utilizando componentes de circuitos fotónicos establecidos.
"El problema era que si uno tiene un fotón viajando en un canal, el fotón tiene un 'paquete de ondas' con una cierta forma", dijo Jacobs. "Para una puerta cuántica, necesita que los paquetes de ondas de fotones permanezcanlo mismo después de la operación de la compuerta. Dado que las no linealidades distorsionan los paquetes de ondas, la pregunta era si podía cargar el paquete de ondas en cavidades, hacer que interactúen a través de una no linealidad y luego emitir los fotones nuevamente para que tengan la misma onda-paquetes como empezaron "
Una vez que diseñaron la puerta de lógica cuántica, los investigadores realizaron numerosas simulaciones por computadora del funcionamiento de la puerta para demostrar que, en teoría, podría funcionar adecuadamente. La construcción real de una puerta de lógica cuántica con este método primero requerirá mejoras significativas enLa calidad de ciertos componentes fotónicos, dijeron los investigadores.
"Basado en el progreso realizado en la última década, esperamos que tome alrededor de diez años para que se realicen las mejoras necesarias", dijo Heuck. "Sin embargo, el proceso de cargar y emitir un paquete de onda sin distorsión esalgo que deberíamos poder realizar con la tecnología experimental actual, por lo que es un experimento en el que trabajaremos a continuación "
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Materiales proporcionado por Laboratorio de investigación del ejército de EE. UU. . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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