Resumen para el lector
- Investigadores de la TU Wien y equipos colaboradores en China han demostrado una novedosa puerta lógica cuántica de entrelazamiento que opera sobre sistemas fotónicos de cuatro niveles (qudits), marcando un paso clave hacia la computación cuántica óptica de mayor dimensión.
- La puerta permite la interacción controlada, el entrelazamiento y el desentrelazamiento de dos fotones codificados en cuatro estados distintos de momento angular orbital, superando las limitaciones de los qubits basados en la polarización de dos estados convencionales.
- El protocolo experimental realizado permite a los investigadores verificar cuándo la operación de la puerta tiene éxito, lo que podría mejorar la eficiencia, la estabilidad y la densidad de información en futuras tecnologías de información cuántica.
- Imagen: La nueva puerta cuántica puede manejar cuatro estados cuánticos, en lugar de dos como en un qubit habitual. (Alexander Rommel / TU Wien)
COMUNICADO DE PRENSA — La computación cuántica no tiene por qué ser binaria. La TU Wien y grupos de investigación en China han logrado un componente crucial para un nuevo tipo de computadoras cuánticas: la realización de un nuevo tipo de puerta lógica cuántica que permite llevar a cabo cálculos cuánticos sobre pares de fotones que se encuentran cada uno en cuatro estados cuánticos diferentes, o combinaciones de los mismos, un hito importante para las computadoras cuánticas ópticas que abre nuevas oportunidades. El estudio ha sido publicado ahora en la revista científica “Nature Photonics”.
Qudits en lugar de qubits
La idea básica de las computadoras cuánticas es simple: mientras que una computadora clásica solo funciona con los valores “0” y “1”, la física cuántica permite combinaciones arbitrarias de estos estados. En cierto sentido, un bit cuántico (“qubit”) puede estar en los estados 0 y 1 simultáneamente. Esto hace posible desarrollar algoritmos que pueden resolver algunos problemas mucho más rápido que una computadora clásica comparable.
Sin embargo, estas superposiciones en principio pueden involucrar más de dos estados. Dependiendo del grado de libertad que se considere, un sistema cuántico como un fotón puede no solo tener dos configuraciones diferentes, dos resultados posibles de una medición potencial, sino muchos. En este caso, se denomina al sistema “qudit” en lugar de “qubit”. Para los cálculos cuánticos, esto puede traer consigo ventajas significativas, pero en última instancia se requiere un mecanismo por el cual dos qudits puedan interactuar de forma controlada. Un equipo de investigación de la TU Wien fue capaz de diseñar teóricamente un esquema para procesar conjuntamente dos qudits codificados en dos fotones, y un equipo en China realizó con éxito este esquema en su laboratorio, lo que resultó en un nuevo tipo de puerta cuántica con aplicaciones potencialmente revolucionarias.
Física cuántica en cuatro dimensiones
Hasta ahora, los experimentos de computación cuántica con fotones a menudo se han llevado a cabo confiando en la polarización de los fotones, una propiedad con dos posibles resultados de medición diferentes. Desde el punto de vista de la física cuántica, el fotón puede estar en una superposición de estas dos opciones, como moverse simultáneamente hacia el Norte y hacia el Este al caminar hacia el Noreste.
“Utilizamos fotones de una manera fundamentalmente diferente”, explica Nicolai Friis del Instituto de Física Atómica y Subatómica de la TU Wien. “No estamos interesados en la polarización, sino en la forma de onda espacial de los fotones, que puede estar en infinitos estados diferentes, correspondientes a diferentes momentos angulares orbitales”.
El equipo liderado por Nicolai Friis ha desarrollado un procedimiento que funciona con dos de estos fotones: ambos pueden estar en superposiciones arbitrarias de diferentes formas de onda. A través de una manipulación sofisticada, dos fotones inicialmente independientes pueden llevarse a un estado conjunto, un estado “entrelazado”. Del mismo modo, la nueva puerta cuántica también se puede utilizar para separar dos fotones entrelazados de forma controlada para que los estados de los fotones vuelvan a ser independientes entre sí.
Precisamente esta operación, una puerta cuántica de entrelazamiento, es necesaria para construir computadoras cuánticas y llevar a cabo cálculos sobre múltiples entradas. Para un primer experimento, los investigadores decidieron trabajar con cuatro estados diferentes. “Es como si, además de las direcciones Norte-Sur y Este-Oeste, se tuviera acceso a dos ejes adicionales”, dice Friis. “En cierto sentido, uno se mueve en un espacio de cuatro dimensiones y podemos trabajar con combinaciones arbitrarias de tales estados”.
Se verifica si funcionó
La realización de sus ideas teóricas no solo requirió un nuevo protocolo, sino que también hizo necesario mejorar significativamente el estado del arte en tecnología y precisión experimental, un área en la que el equipo de Hui-Tian Wang en China logró un progreso notable.
“Tuvimos éxito en la realización de una puerta lógica cuántica que funciona con dos fotones que se pueden preparar en combinaciones de cuatro estados diferentes”, dice Nicolai Friis. “Podemos entrelazar los fotones, y podemos hacerlo de forma ‘heraldada’, lo que significa que podemos saber cuándo funcionó el protocolo. Y si no lo hizo, podemos repetir el procedimiento. Esto es lo que se necesita en la práctica”.
Se espera que el nuevo enfoque haga que la tecnología de la información cuántica sea más eficiente y estable en diferentes áreas. “Necesitamos menos partículas para transportar la misma cantidad de información cuántica”, dice Marcus Huber (también del Instituto de Física Atómica y Subatómica de la TU Wien). “Esto tiene muchas ventajas, también en lo que respecta a la fiabilidad de las operaciones cuánticas”. El nuevo estudio abre, por lo tanto, literalmente, nuevas dimensiones para las tecnologías cuánticas.
