Ordenadores cuánticos

El nuevo enfoque apunta a mejorar las computadoras cuánticas.

Las computadoras cuánticas, que usan partículas de luz (fotones) en lugar de electrones para transmitir y procesar datos, prometen una nueva era de investigación en la que se reducirá significativamente el tiempo necesario para obtener medicamentos que salvan vidas y nuevas tecnologías.

Los fotones son candidatos prometedores para el cálculo cuántico porque pueden propagarse a través de largas distancias sin perder información, pero cuando se almacenan en la materia se vuelven frágiles y susceptibles a la decoherencia. Ahora los investigadores han desarrollado un nuevo protocolo para almacenar y liberar un solo fotón en un estado propio incorporado, un estado cuántico que prácticamente no se ve afectado por la pérdida y la decoherencia. El nuevo protocolo, de la Iniciativa de Fotónica en el Centro de Investigación Científica Avanzada (ASRC) en el Centro de Graduados, CUNY y detallado en la edición actual de Optica , apunta a avanzar en el desarrollo de las computadoras cuánticas.

"El objetivo es almacenar y lanzar fotones individuales a pedido al garantizar simultáneamente la estabilidad de los datos", dijo Andrea Alù, directora fundadora de ASRC Photonics Initiative y profesora de Física de Einstein en The Graduate Center. "Nuestro trabajo demuestra que es posible confinar y conservar un solo fotón en una cavidad abierta y dejar que permanezca allí hasta que otro fotón lo incite a continuar propagándose".

El equipo de investigación utilizó técnicas de electrodinámica cuántica para desarrollar su teoría. Investigan un sistema compuesto por un átomo y una cavidad, el último de los cuales está parcialmente abierto y, por lo tanto, normalmente permitiría que la luz atrapada en el sistema se escape y se pierda rápidamente. Sin embargo, el equipo de investigación demostró que, bajo ciertas condiciones, los fenómenos de interferencia destructiva pueden evitar las fugas y permitir que un solo fotón se aloje en el sistema de forma indefinida. Este estado propio incorporado podría ser muy útil para almacenar información sin degradación, pero la naturaleza cerrada de este estado protegido también crea una barrera para los estímulos exteriores, por lo que tampoco se pueden inyectar fotones individuales en el sistema. El equipo de investigación pudo superar esta limitación al excitar el sistema al mismo tiempo con dos o más fotones.

"Propusimos un sistema que actúa como una caja cerrada cuando está excitado por un solo fotón, pero se abre muy eficientemente cuando lo golpeamos con dos o más fotones", dijo Michele Cotrufo, primera autora del periódico y becaria postdoctoral con el Iniciativa Fotónica de ASRC. “Nuestra teoría muestra que dos fotones se pueden inyectar de manera eficiente en el sistema cerrado. Después de eso, un fotón se perderá y el otro quedará atrapado cuando el sistema se cierre. El fotón almacenado tiene el potencial de ser preservado en el sistema por tiempo indefinido".

En sistemas realistas, las imperfecciones adicionales evitarían el confinamiento perfecto de los fotones, pero los cálculos del equipo de investigación mostraron que su protocolo supera las soluciones anteriores basadas en una única cavidad.

Los autores también demostraron que el fotón excitado almacenado puede liberarse posteriormente a pedido mediante el envío de un segundo impulso de fotones.

El hallazgo del equipo tiene el potencial de resolver desafíos críticos para la computación cuántica, incluida la generación a demanda de estados fotónicos enredados y memorias cuánticas. El grupo ahora está explorando vías para verificar experimentalmente su trabajo teórico.