Un nuevo método para entrelazar los destinos de los fragmentos de luz ha superado algunos obstáculos importantes en el camino hacia la computación cuántica basada en fotones.
Investigadores del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Alemania han entrelazado con éxito 14 fotones en un estado considerado óptimo para qubits, más del doble de los intentos anteriores, al mismo tiempo que mejora su eficiencia.
A diferencia de los ‘bits’ de código binario detrás de formas más convencionales de tecnología informática, los qubits existen en un estado de probabilidad llamado superposición, comportándose como una moneda lanzada al aire mientras cae por el aire.
Los algoritmos basados en la forma en que caen los grupos de monedas cuánticas pueden hacer un trabajo rápido de algunas matemáticas bastante complejas, pero solo si su giro colectivo no se desvía inadvertidamente del medio ambiente.
Conocida como decoherencia, esta interrupción de la superposición de una partícula es un gran obstáculo para los ingenieros que diseñan útiles computadoras cuánticas.
En teoría, casi cualquier cosa puede existir en una superposición cuántica de estados, desde electrones hasta átomos y moléculas enteras (o más grandes). Pero para limitar la decoherencia, los objetos más pequeños y simples se llevan la palma.
Los fotones hacen qubits ideales. Desafortunadamente, las computadoras cuánticas prácticas necesitan muchos qubits. Miles. Incluso millones. Mientras más, mejor. No solo es necesario que todos estén girando en superposición a la vez, sino que sus destinos deben ser compartidos. O, para usar el término físico, enredado.
Aquí es donde entra el desafío.
Hay formas relativamente fáciles de entrelazar pares de fotones. Obligue a un átomo a emitir una onda de luz y luego divídalo usando una pantalla especial, y obtendrá dos fotones con una historia compartida.
Mientras permanecen en vuelo con sus respectivas características aún por medir, actúan más o menos como esa moneda que gira. Eventualmente, uno saldrá cara y el otro cruz.
Enredar más de dos fotones se convierte en un desafío mayor.
Los experimentos con objetos llamados puntos cuánticos han logrado enredar cadenas de tres a cuatro fotones. No solo es improbable que alguna vez produzca los cientos y miles necesarios para un tanto como una computadorael estado de enredo con este enfoque no es tan confiable como les gustaría a los ingenieros.
Estudios más recientes que utilizan átomos con grandes orbitales de electrones, llamados átomos de Rydberg, han producido hasta seis fotones entrelazados, todos en una forma entrelazada eficiente. Aunque el método podría generar componentes informáticos súper rápidos, tampoco es una opción fácilmente escalable.
Esta nueva solución podría, en teoría, producir cualquier cantidad de fotones entrelazados, todos en el estado ideal.
“El truco de este experimento fue que usamos un solo átomo para emitir los fotones y entretejerlos de una manera muy específica”. dice estudiante de doctorado en física y autor principal Philip Thomas.
Se hizo cosquillas en un átomo de rubidio para que emitiera ondas de luz, que se canalizaron hacia una cavidad diseñada para reflejarlas de un lado a otro de una manera muy precisa.
Al ajustar perfectamente la forma en que brillaba el rubidio, cada fotón podría entrelazarse con el estado del átomo completo, lo que significa que cada fotón que rebota en la cavidad también se entrelaza con un número significativo de sus hermanos.
“Debido a que la cadena de fotones surgió de un solo átomo, podría producirse de manera determinista”. dice Tomás.
En este caso, el equipo logró enredar 12 fotones en un cúmulo lineal menos eficiente y 14 en el preciado Greenberger–Horne–Zeilinger (GHZ) estado.
“Hasta donde sabemos, las 14 partículas de luz interconectadas son la mayor cantidad de fotones entrelazados que se han generado en el laboratorio hasta ahora”, dice Thomas.
No solo fueron capaces de entrelazar tantos fotones, sino que la eficiencia de este método mejoró con respecto a los procesos anteriores, con casi uno de cada dos fotones proporcionando qubits perfectamente entrelazados.
Las configuraciones futuras deberán introducir un segundo átomo para proporcionar los qubits necesarios para muchas operaciones de computación cuántica. Tener fotones entrelazados disponibles podría proporcionar las bases para la tecnología más allá de la informática, ocupando un papel central en las comunicaciones cifradas cuánticas.
Esta investigación fue publicada en Naturaleza.