Un equipo de físicos aplicados de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard (SEAS) ha desarrollado un innovador enrutador de fotones que promete integrarse en redes cuánticas, creando interfaces ópticas robustas para ordenadores cuánticos de microondas, sensibles al ruido. Este avance representa un paso crucial hacia la posibilidad de redes de computación cuántica modulares y distribuidas que utilicen la infraestructura de telecomunicaciones existente, compuesta por millones de kilómetros de fibra óptica que transporta información a la velocidad de la luz alrededor del planeta.
Dirigido por Marko Lončar, profesor de Ingeniería Eléctrica y Física Aplicada en SEAS, el equipo ha creado un transductor cuántico microondas-óptico, un dispositivo diseñado para sistemas de procesamiento cuántico que emplean qubits de microondas superconductores como sus unidades operativas más pequeñas, análogas a los 1s y 0s de los bits clásicos. Este estudio ha sido publicado en la revista Nature Physics.
Un puente entre fotones y qubits
El transductor, que actúa como un enrutador para fotones, cierra la brecha energética entre los fotones de microondas y ópticos, permitiendo controlar qubits de microondas mediante señales ópticas generadas a miles de kilómetros de distancia. Este dispositivo es el primero en su tipo en demostrar el control de un qubit superconductor utilizando únicamente luz.
La primera autora del artículo, y estudiante de posgrado, Hana Warner, destacó que este transductor proporciona una forma de aprovechar el potencial de la óptica en el desarrollo de redes cuánticas. «La realización de estos sistemas aún está lejos, pero para llegar allí, necesitamos encontrar maneras prácticas de escalar e interconectar los diferentes componentes», comentó Warner. «Los fotones ópticos son una de las mejores maneras de hacerlo, ya que son excelentes portadores de información, con baja pérdida y alta capacidad de ancho de banda».
Los qubits superconductores, circuitos nanofabricados diseñados para diferentes estados de energía, están emergiendo como una plataforma de computación cuántica debido a su escalabilidad, compatibilidad con procesos de fabricación existentes y capacidad para mantener la superposición cuántica el tiempo suficiente para realizar cálculos.
No obstante, un gran obstáculo para la implementación de plataformas de qubits superconductores es la extremadamente baja temperatura a la que deben operar, lo que requiere grandes sistemas de refrigeración conocidos como refrigeradores de dilución. Dado que la computación cuántica futura requerirá millones de qubits para funcionar, escalar estos sistemas solo con señales de frecuencia de microondas es un desafío. La solución radica en utilizar qubits de microondas para realizar operaciones cuánticas, pero usando fotones ópticos como interfaces eficientes y escalables.
El dispositivo óptico del equipo de Harvard, de 2 milímetros, se asemeja a un clip de papel y se encuentra sobre un chip de aproximadamente 2 centímetros de longitud. Funciona al vincular un resonador de microondas con dos resonadores ópticos, permitiendo el intercambio de energía gracias a las propiedades de su material base, el niobato de litio. Este intercambio ha permitido eliminar la necesidad de cables de microondas voluminosos y calientes para controlar los estados de los qubits.
Los mismos dispositivos utilizados para el control podrían ser empleados para la lectura del estado de los qubits, o para establecer enlaces directos que conviertan información cuántica delicada en paquetes de luz robustos entre nodos de computación cuántica. Este avance acerca a un mundo en el que procesadores cuánticos superconductores estén interconectados a través de redes ópticas de alta potencia y baja pérdida.
El siguiente paso para el transductor, según Lončar, podría ser la generación y distribución fiable de entrelazamiento entre qubits de microondas utilizando luz. El equipo de Harvard combinó su experiencia en sistemas ópticos con colaboradores de Rigetti Computing, quienes proporcionaron las plataformas de qubits superconductores de aluminio sobre silicio en las que los investigadores probaron su transductor y esbozaron diferentes experimentos. Otros colaboradores provinieron de la Universidad de Chicago y del Instituto Tecnológico de Massachusetts.
La fabricación de los chips se llevó a cabo en el Centro para Sistemas a Nanoescala de Harvard, miembro de la Red Nacional de Infraestructura Coordinada en Nanotecnología.
