La investigación de la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en St. Louis ha encontrado una pieza faltante en el rompecabezas de la computación cuántica óptica.
Jung-Tsung Shen, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Sistemas de Preston M. Green, ha desarrollado una puerta lógica cuántica de dos bits determinista y de alta fidelidad que aprovecha una nueva forma de luz. Esta nueva puerta lógicaes órdenes de magnitud más eficiente que la tecnología actual.
"En el caso ideal, la fidelidad puede llegar al 97%", dijo Shen.
Su investigación fue publicada en mayo de 2021 en la revista Revisión física A .
El potencial de las computadoras cuánticas está ligado a las propiedades inusuales de la superposición, la capacidad de un sistema cuántico de contener muchas propiedades o estados distintos al mismo tiempo, y al entrelazamiento, dos partículas que actúan como si estuvieran correlacionadas.de una manera no clásica, a pesar de estar físicamente separados el uno del otro.
Donde el voltaje determina el valor de un bit un 1 o un 0 en una computadora clásica, los investigadores a menudo usan electrones individuales como "qubits", el equivalente cuántico. Los electrones tienen varios rasgos que se adaptan bien a la tarea: sonmanipulables fácilmente por un campo eléctrico o magnético e interactúan entre sí. La interacción es un beneficio cuando se necesitan dos bits para entrelazar, dejando que se manifieste el desierto de la mecánica cuántica
Pero su propensión a interactuar también es un problema. Todo, desde los campos magnéticos extraviados hasta las líneas eléctricas, puede influir en los electrones, haciéndolos difíciles de controlar de verdad.
Durante las últimas dos décadas, sin embargo, algunos científicos han estado tratando de usar fotones como qubits en lugar de electrones. "Si las computadoras van a tener un impacto real, debemos considerar la creación de la plataforma usando luz", dijo Shen.
Los fotones no tienen carga, lo que puede conducir a problemas opuestos: no interactúan con el entorno como los electrones, pero tampoco interactúan entre sí. También ha sido un desafío diseñar y crear ad hoc efectivointeracciones entre fotones. O así era el pensamiento tradicional.
Hace menos de una década, los científicos que trabajaban en este problema descubrieron que, incluso si no estaban enredados al entrar por una puerta lógica, el acto de medir los dos fotones cuando salían los llevaba a comportarse como si lo hubieran estado.Las características únicas de la medición son otra manifestación salvaje de la mecánica cuántica.
"La mecánica cuántica no es difícil, pero está llena de sorpresas", dijo Shen.
El descubrimiento de la medición fue revolucionario, pero no revolucionó el juego. Eso se debe a que por cada 1.000.000 de fotones, solo un par se enreda. Desde entonces, los investigadores han tenido más éxito, pero, dijo Shen, "todavía no es lo suficientemente bueno para una computadora,"que tiene que realizar de millones a miles de millones de operaciones por segundo.
Shen pudo construir una puerta lógica cuántica de dos bits con tal eficiencia debido al descubrimiento de una nueva clase de estados fotónicos cuánticos: dímeros fotónicos, fotones entrelazados tanto en el espacio como en la frecuencia. Su predicción de su existencia fue validada experimentalmente.en 2013, y desde entonces ha estado encontrando aplicaciones para esta nueva forma de luz.
Cuando un solo fotón entra por una puerta lógica, no sucede nada notable: entra y sale. Pero cuando hay dos fotones, "ahí es cuando predijimos que los dos pueden crear un nuevo estado, dímeros fotónicos. Resulta que estoel nuevo estado es crucial ".
Puerta lógica de dos bits de alta fidelidad, diseñada por Jung-Tsung Shen.
Matemáticamente, hay muchas formas de diseñar una puerta lógica para operaciones de dos bits. Estos diferentes diseños se denominan equivalentes. La puerta lógica específica que Shen y su grupo de investigación diseñaron es la puerta de fase controlada o puerta Z controlada. La función principal de la puerta de fase controlada es que los dos fotones que salen están en el estado negativo de los dos fotones que entraron.
"En los circuitos clásicos, no hay signo menos", dijo Shen. "Pero en la computación cuántica, resulta que el signo menos existe y es crucial".
Cuando dos fotones independientes que representan dos qubits ópticos entran en la puerta lógica, "El diseño de la puerta lógica es tal que los dos fotones pueden formar un dímero fotónico", dijo Shen. "Resulta que el nuevo estado fotónico cuántico escrucial, ya que permite que el estado de salida tenga el signo correcto que es esencial para las operaciones lógicas ópticas ".
Shen ha estado trabajando con la Universidad de Michigan para probar su diseño, que es una puerta lógica de estado sólido, una que puede operar en condiciones moderadas. Hasta ahora, dice, los resultados parecen positivos.
Shen dice que este resultado, aunque desconcertante para la mayoría, es claro como el día para los que lo saben.
"Es como un rompecabezas", dijo. "Puede ser complicado de hacer, pero una vez que esté hecho, con solo mirarlo, sabrá que es correcto".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Washington en St. Louis . Original escrito por Brandie Jefferson. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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