La computación cuántica con fotones individuales cada vez más cerca de la realidad

Un enfoque prometedor para la computación cuántica escalable es utilizar una arquitectura totalmente óptica, en la que los qubits estén representados por fotones y manipulados por espejos y divisores de haz. Hasta ahora, los investigadores han demostrado este método, llamado Computación Cuántica Óptica Lineal, a muy pequeña escala, realizando operaciones utilizando sólo unos pocos fotones. En un intento de ampliar este método a un mayor número de fotones, los investigadores de un nuevo estudio han desarrollado una forma de integrar completamente fuentes de fotón único dentro de circuitos ópticos, creando circuitos cuánticos integrados que pueden permitir la computación cuántica óptica escalable.

Los investigadores, Iman Esmaeil Zadeh, Ali W. Elshaari y sus coautores, publicaron un artículo sobre los circuitos cuánticos integrados en una edición reciente de Nano letras.

Como explican los investigadores, uno de los mayores desafíos que enfrenta la realización de un sistema de Computación Cuántica Óptica Lineal eficiente es la integración en una sola plataforma de varios componentes que normalmente son incompatibles entre sí. Estos componentes incluyen una fuente de fotón único, como puntos cuánticos; dispositivos de enrutamiento tales como guías de ondas; dispositivos para manipular fotones como cavidades, filtros y puertas cuánticas; y detectores de fotón único.

En el nuevo estudio, los investigadores han demostrado experimentalmente un método para incrustar puntos cuánticos que generan un solo fotón dentro de nanocables que, a su vez, están encapsulados en una guía de ondas. Para hacerlo con la alta precisión requerida, utilizaron un “nanomanipulador” compuesto por una punta de tungsteno para transferir y alinear los componentes. Una vez dentro de la guía de ondas, se podrían seleccionar fotones individuales y enrutarlos a diferentes partes del circuito óptico, donde eventualmente se podrán realizar operaciones lógicas.

"Propusimos y demostramos una solución híbrida para la óptica cuántica integrada que explota las ventajas de las fuentes de fotón único de alta calidad con una fotónica bien desarrollada basada en silicio", dijo Zadeh, de la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos. Phys.org. “Además, este método, a diferencia de trabajos anteriores, es totalmente determinista, es decir, en los circuitos fotónicos sólo se integran fuentes cuánticas con las propiedades seleccionadas.

“El enfoque propuesto puede servir como infraestructura para implementar circuitos ópticos cuánticos integrados escalables, que tienen potencial para muchas tecnologías cuánticas. Además, esta plataforma proporciona nuevas herramientas a los físicos para estudiar la fuerte interacción luz-materia a nanoescala y QED [electrodinámica cuántica] en cavidades”.

Una de las métricas de rendimiento más importantes para la computación cuántica óptica lineal es la eficiencia del acoplamiento entre la fuente de fotón único y el canal fotónico. Una baja eficiencia indica pérdida de fotones, lo que reduce la confiabilidad de la computadora. La configuración aquí logra una eficiencia de acoplamiento de aproximadamente 24% (que ya se considera buena), y los investigadores estiman que optimizar el diseño y el material de la guía de ondas podría mejorar esto a 92%.

Además de mejorar la eficiencia del acoplamiento, en el futuro los investigadores también planean demostrar el entrelazamiento en el chip, así como aumentar la complejidad de los circuitos fotónicos y los detectores de fotón único.

"En última instancia, el objetivo es realizar una red cuántica en un chip totalmente integrada", dijo Elshaari, de la Universidad Tecnológica de Delft y del Real Instituto de Tecnología (KTH) de Estocolmo. "En este momento hay muchas oportunidades y el campo no está bien explorado, pero el ajuste de fuentes en el chip y la generación de fotones indistinguibles se encuentran entre los desafíos que deben superarse".