La cantidad de qubits en las computadoras cuánticas superconductoras ha aumentado rápidamente durante los últimos años, pero un mayor crecimiento se ve limitado por la necesidad de temperaturas de funcionamiento ultra frías. La conexión de varios procesadores más pequeños podría crear computadoras cuánticas más grandes y más poderosas desde el punto de vista computacional, sin embargo, hacerlo plantea nuevos desafíos. Un equipo de investigadores dirigido por Rishabh Sahu, Liu Qiu y Johannes Fink del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA) ha demostrado ahora, por primera vez, un entrelazamiento cuántico entre fotones ópticos y de microondas que podría sentar las bases para tal futura red cuántica.

Las computadoras cuánticas prometen resolver tareas desafiantes en ciencia de materiales y criptografía que permanecerán fuera del alcance incluso de las supercomputadoras convencionales más poderosas en el futuro. Sin embargo, esto probablemente requerirá millones de qubits de alta calidad debido a la corrección de errores requerida.

El progreso en los procesadores superconductores avanza rápidamente con un recuento actual de qubits de unos pocos cientos. Las ventajas de esta tecnología son la rápida velocidad de computación y su compatibilidad con la fabricación de microchips, pero la necesidad de temperaturas ultrafrías en última instancia limita el tamaño del procesador e impide cualquier acceso físico una vez que se enfría.

Una computadora cuántica modular con múltiples nodos de procesador enfriados por separado podría resolver esto. Sin embargo, los fotones de microondas individuales, las partículas de luz que son los portadores de información nativos entre los qubits superconductores dentro de los procesadores, no son adecuados para enviarse a través de un entorno a temperatura ambiente entre los procesadores. El mundo a temperatura ambiente está lleno de calor, lo que perturba fácilmente los fotones de microondas y sus frágiles propiedades cuánticas como el entrelazamiento.

Investigadores del grupo Fink del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA), junto con colaboradores de TU Wien y la Universidad Técnica de Munich, demostraron un importante paso tecnológico para superar estos desafíos. Enredaron microondas de baja energía con fotones ópticos de alta energía por primera vez. Tal estado cuántico entrelazado de dos fotones es la base para conectar computadoras cuánticas superconductoras a través de enlaces a temperatura ambiente. Esto tiene implicaciones no solo para ampliar el hardware cuántico existente, sino que también es necesario para realizar interconexiones con otras plataformas informáticas cuánticas, así como para nuevas aplicaciones de detección remota mejoradas cuánticamente. Sus resultados han sido publicados en la revista Science.

Enfriando el ruido

Rishabh Sahu, un postdoctorado en el grupo Fink y uno de los primeros autores del nuevo estudio, explica : « Un problema importante para cualquier qubit es el ruido. Se puede pensar en el ruido como cualquier perturbación del qubit. Una fuente importante de ruido es el calor del material en el que se basa el qubit ».

El calor hace que los átomos de un material se muevan rápidamente. Esto es perjudicial para las propiedades cuánticas como el entrelazamiento y, como resultado, haría que los qubits no fueran aptos para la computación. Por lo tanto, para seguir siendo funcional, una computadora cuántica debe tener sus qubits aislados del entorno, enfriados a temperaturas extremadamente bajas y mantenidos en el vacío para preservar sus propiedades cuánticas.

Para los qubits superconductores, esto sucede en un dispositivo cilíndrico especial que cuelga del techo, llamado « refrigerador de dilución » en el que tiene lugar la parte « cuántica » del cálculo. Los qubits en su parte inferior se enfrían a solo unas pocas milésimas de grado por encima de la temperatura del cero absoluto, a unos -273 grados centígrados. Sahu agrega con entusiasmo : « Esto hace que estos refrigeradores en nuestros laboratorios sean los lugares más fríos de todo el universo, incluso más fríos que el espacio mismo ».

El refrigerador tiene que enfriar continuamente los qubits, pero cuantos más qubits y el cableado de control asociado se agregan, más calor se genera y más difícil es mantener fría la computadora cuántica. « La comunidad científica predice que con alrededor de 1000 qubits superconductores en una sola computadora cuántica, alcanzaremos los límites del enfriamiento », advierte Sahu. « La simple ampliación no es una solución sostenible para construir computadoras cuánticas más potentes ».

Fink agrega : « Se están desarrollando máquinas más grandes, pero cada ensamblaje y enfriamiento se vuelve comparable al lanzamiento de un cohete, donde solo se entera de los problemas una vez que el procesador está frío y sin la capacidad de intervenir y corregir tales problemas ».

Ondas cuánticas

« Si un refrigerador de dilución no puede enfriar lo suficiente más de mil qubits superconductores a la vez, necesitamos vincular varias computadoras cuánticas más pequeñas para que funcionen juntas », explica Liu Qiu, postdoctorado en el grupo Fink y otro primer autor del nuevo estudio. « Necesitaríamos una red cuántica ».

Conectar dos computadoras cuánticas superconductoras, cada una con su propio refrigerador de dilución, no es tan sencillo como conectarlas con un cable eléctrico. La conexión necesita una consideración especial para preservar la naturaleza cuántica de los qubits.

Los qubits superconductores funcionan con pequeñas corrientes eléctricas que se mueven de un lado a otro en un circuito a frecuencias de unas diez mil millones de veces por segundo. Interactúan usando fotones de microondas, partículas de luz. Sus frecuencias son similares a las que utilizan los teléfonos móviles.

El problema es que incluso una pequeña cantidad de calor perturbaría fácilmente los fotones de microondas individuales y sus propiedades cuánticas necesarias para conectar los qubits en dos computadoras cuánticas separadas. Al pasar por un cable fuera del frigorífico, el calor del ambiente los inutilizaría.

« En lugar de los fotones de microondas propensos al ruido que necesitamos para hacer los cálculos dentro de la computadora cuántica, queremos usar fotones ópticos con frecuencias mucho más altas similares a la luz visible para interconectar las computadoras cuánticas », explica Qiu. Estos fotones ópticos son del mismo tipo que se envían a través de fibras ópticas que brindan Internet de alta velocidad a nuestros hogares. Esta tecnología es bien conocida y mucho menos susceptible al ruido del calor. Qiu agrega : « El desafío era cómo hacer que los fotones de microondas interactuaran con los fotones ópticos y cómo entrelazarlos ».

Luz dividida

En su nuevo estudio, los investigadores utilizaron un dispositivo electroóptico especial : un resonador óptico hecho de un cristal no lineal, que cambia sus propiedades ópticas en presencia de un campo eléctrico. Una cavidad superconductora alberga este cristal y mejora esta interacción.

Sahu y Qiu utilizaron un láser para enviar miles de millones de fotones ópticos al cristal electroóptico durante una fracción de microsegundo. De esta manera, un fotón óptico se divide en un par de nuevos fotones entrelazados: uno óptico con solo un poco menos de energía que el original y un fotón de microondas con mucha menos energía.

« El desafío de este experimento fue que los fotones ópticos tienen unas 20 000 veces más energía que los fotones de microondas », explica Sahu, « y aportan mucha energía y, por lo tanto, calor al dispositivo que luego puede destruir las propiedades cuánticas de las microondas ». fotones. Hemos trabajado durante meses ajustando el experimento y obteniendo las medidas correctas ». Para resolver este problema, los investigadores construyeron un dispositivo superconductor más voluminoso en comparación con los intentos anteriores. Esto no solo evita una ruptura de la superconductividad, sino que también ayuda a enfriar el dispositivo de manera más efectiva y a mantenerlo frío durante los cortos períodos de tiempo de los pulsos de láser óptico.

« El avance es que los dos fotones que salen del dispositivo, el fotón óptico y el de microondas, están entrelazados », explica Qiu. « Esto se ha verificado midiendo las correlaciones entre las fluctuaciones cuánticas de los campos electromagnéticos de los dos fotones que son más fuertes de lo que puede explicar la física clásica ».

« Ahora somos los primeros en entrelazar fotones de escalas de energía tan diferentes ». Fink dice : « Este es un paso clave para crear una red cuántica y también es útil para otras tecnologías cuánticas, como la detección mejorada cuántica ».