Investigadores han demostrado una nueva forma de capturar la luz de múltiples átomos simultáneamente, permitiendo leer su información cuántica en paralelo en lugar de uno por uno.
Este avance podría acelerar significativamente la transición de las máquinas cuánticas, actualmente delicados experimentos de laboratorio, a sistemas lo suficientemente grandes como para resolver problemas prácticos.
Un camino escalable para la lectura cuántica
En Stanford, Jon Simon y sus colegas crearon una cuadrícula de pequeñas trampas de luz en las que cada átomo envía su señal a través de un camino controlado, evitando que las débiles señales se mezclen con el ruido de fondo.
El equipo observó directamente a muchos átomos reportando sus estados simultáneamente sin interferir entre sí, y el mismo diseño se escaló sin problemas desde una pequeña demostración hasta una matriz mucho más grande.
Esta combinación de lectura paralela y estabilidad resalta tanto la promesa del enfoque como los desafíos de ingeniería que deben resolverse a medida que los investigadores trabajan para construir computadoras cuánticas a gran escala.
Capturando más luz atómica
Recoger suficiente luz de un solo átomo ha sido durante mucho tiempo un factor limitante en las máquinas cuánticas, ya que la señal es extremadamente débil y se dispersa en muchas direcciones.
“Si queremos construir una computadora cuántica, necesitamos poder leer la información de los bits cuánticos muy rápidamente”, afirmó Simon.
Mejorar la captación de luz puede acelerar estas mediciones al tiempo que se mantiene la delicadeza con los frágiles estados cuánticos, aunque demasiadas interacciones aún corren el riesgo de perturbar la información que se está leyendo.
Para resolver este problema, el equipo rediseñó las cavidades ópticas que rodean a cada átomo. En lugar de depender de largos caminos de espejos, colocaron microlentes – pequeñas lentes que aprietan y enfocan un haz de luz – dentro de cada cavidad.
Los espejos mantuvieron entonces la luz rebotando de un lado a otro, aumentando las posibilidades de que cada átomo enviara fotones en una dirección útil hacia los detectores.
Esta configuración, conocida como cavidad óptica, actúa como una pequeña trampa de luz que acelera la lectura sin añadir una complejidad significativa.
Sin embargo, los componentes deben alinearse con extrema precisión, ya que incluso una lente ligeramente mal colocada puede hacer que fotones valiosos fallen en alcanzar los detectores.
Lectura más rápida para la escalabilidad
La lectura paralela permite que muchos átomos reporten sus estados al mismo tiempo, evitando que el tiempo de medición se alargue a medida que los sistemas se hacen más grandes.
En el experimento, cada átomo se sentó dentro de su propia cavidad óptica, y la luz saliente viajó a sensores separados para que las señales permanecieran independientes.
Durante la medición de un milisegundo de duración, cada qubit – un bit cuántico que puede representar cero, uno o una combinación de ambos – permaneció intacto, permitiendo que el sistema se verificara y ajustara con mayor frecuencia mientras los átomos se mantenían precisamente en su lugar.
Esta capacidad es fundamental porque las computadoras cuánticas útiles probablemente necesitarán muchos más de unos pocos cientos de qubits.
El hardware real comete pequeños errores constantes, y la corrección de errores cuánticos compensa distribuyendo la información entre muchos qubits para detectar y corregir esos errores.
Un análisis de la National Academy of Engineering sugiere que una computadora cuántica totalmente corregida por errores podría requerir millones de qubits físicos.
Tales sistemas masivos dependen de una retroalimentación de medición paralela rápida; sin ella, la electrónica de control clásica que monitorea la máquina se convertiría rápidamente en un cuello de botella, ralentizando o limitando la operación a gran escala.
Conexión en red de computadoras cuánticas
Construir un dispositivo gigante es difícil, por lo que muchos equipos apuntan a sistemas modulares que conectan procesadores cuánticos más pequeños en redes.
En la matriz de cavidades, cada sitio alimentaba una fibra óptica separada, un hilo de vidrio que guía la luz, para que los nodos distantes pudieran compartir fotones.
El preimpreso también mostró la lectura paralela a través de una matriz de fibra, un paso hacia el envío de información cuántica entre máquinas separadas.
La conexión en red aún necesita interferencia y sincronización confiables, y los enlaces ruidosos pueden desperdiciar la mayoría de los intentos a menos que el sistema pueda volver a intentarlo rápidamente.
La ingeniería aún establece límites
El prototipo utilizó principalmente óptica estándar, lo que es importante porque los chips especializados a menudo fallan cuando los constructores intentan escalarlos.
Gran parte del hardware permaneció fuera de la cámara de vacío, lo que facilitó las reparaciones y actualizaciones en comparación con la reconstrucción de un procesador cuántico sellado.
Para pasar de cientos de cavidades a matrices enormes, los fabricantes deben mantener el espaciado de los espejos y la colocación de las lentes dentro de tolerancias estrictas.
Incluso una pequeña deriva puede romper los caminos de la luz, por lo que los sistemas prácticos necesitarán soportes robustos y una calibración constante.
Lo que una mejor luz permite
Un mejor control de los fotones individuales puede mejorar más que la computación, ya que muchos sensores dependen de contar la luz con precisión.
Las matrices de cavidades podrían mejorar la microscopía y la biosensores al extraer señales débiles de las moléculas antes de que el ruido de fondo las entierre.
La misma estricta captación de luz podría apoyar la astronomía mejorando la forma en que los telescopios combinan los haces, un paso hacia imágenes más nítidas de los planetas.
Esas ideas siguen siendo especulativas, y el retorno de la inversión a corto plazo se centra en mediciones más rápidas y conexiones más limpias entre dispositivos cuánticos.
Futuros centros de computación cuántica
Alcanzar una escala práctica requerirá expandir las cuadrículas de cavidades a decenas de miles, ya que las máquinas cuánticas útiles necesitan muchos más qubits que los prototipos actuales proporcionan.
La alineación automatizada y la óptica de autocomprobación probablemente tendrán que operar continuamente, porque incluso una ligera deriva puede sacar las cavidades de resonancia.
Una vez que los módulos compartan una interfaz de luz común, los ingenieros podrían ensamblar estantes de procesadores que intercambien fotones a través de enlaces ópticos estables, formando la columna vertebral de los futuros centros de datos cuánticos.
Sin embargo, esa visión aún depende de resolver importantes desafíos en la gestión del calor, el cableado y el manejo de errores a gran escala, ninguno de los cuales desaparece con una mejor óptica.
La medición paralela rápida también debe convertirse en una rutina antes de que las computadoras cuánticas puedan ir más allá de demostraciones impresionantes y entrar en la ingeniería cotidiana.
La matriz de cavidades ofrece un camino concreto hacia adelante, y la próxima prueba crítica será si el sistema sigue siendo confiable a medida que los constructores lo escalan.
El estudio se publica en la revista Nature.
—–
¿Te ha gustado lo que has leído? Suscríbete a nuestro boletín para artículos interesantes, contenido exclusivo y las últimas novedades.
Visítanos en EarthSnap, una aplicación gratuita traída por Eric Ralls y Earth.com.
—–
