Una computadora cuántica fotónica de Alemania calcula en bucles de tiempo

Las computadoras cuánticas se consideran una tecnología clave para tareas en las que fallan las computadoras clásicas, como simular moléculas, optimizar sistemas complejos o analizar grandes cantidades de datos. Su componente básico es el qubit, una unidad de información de mecánica cuántica que, a diferencia de un bit clásico, puede asumir no sólo los estados cero y uno, sino también la superposición de ambos estados. Actualmente diferentes plataformas físicas alrededor del mundo compiten por la mejor implementación de esta idea. Los circuitos superconductores deben enfriarse a temperaturas cercanas al cero absoluto; Los iones atrapados requieren complejos sistemas de vacío y láser. Sin embargo, una computadora cuántica fotónica adopta un enfoque diferente: codifica información cuántica en partículas de luz individuales, fotones, que funcionan a temperatura ambiente y pueden transportarse casi sin interferencias a través de fibras de vidrio. Además, los fotones están excelentemente aislados de las influencias ambientales destructivas, lo que los convierte en portadores particularmente robustos de estados cuánticos frágiles.

La gran ventaja de los fotones es también su mayor debilidad. Debido a que las partículas de luz normalmente no interactúan entre sí, es difícil utilizarlas para realizar operaciones lógicas que conecten dos qubits al mismo tiempo. Pero son precisamente estas operaciones de dos qubits las que son indispensables porque crean el entrelazamiento cuántico sin el cual ningún algoritmo cuántico funciona. La más importante de estas puertas cuánticas es la llamada puerta C-NOT, que invierte el estado de un qubit objetivo exactamente cuando el qubit de control está en el estado uno. Combinado con simples rotaciones de un qubit, en principio se puede construir cualquier circuito cuántico. Sin embargo, las implementaciones ópticas anteriores requerían configuraciones complejas con muchos caminos de luz, divisores de haz y desfasadores separados espacialmente, cuyo número aumenta significativamente con cada qubit adicional. Las ideas fotónicas alternativas, como una computadora cuántica basada en grafeno, hasta ahora han sido en gran medida solo teoría.

Información cuántica en el tiempo en lugar de en el espacio

Un equipo del Instituto de Sistemas Fotónicos Cuánticos (PhoQS) de la Universidad de Paderborn, dirigido por el líder del equipo Benjamin Brecht del grupo de trabajo de Óptica Cuántica Integrada dirigido por Christine Silberhorn, ha solucionado este problema con un truco elegante. En lugar de distribuir espacialmente la información cuántica a través de diferentes trayectorias de luz, los físicos la codifican en el tiempo. En la denominada multiplexación por división de tiempo, varios qubits pasan uno tras otro por el mismo módulo óptico y se transmiten en diferentes ventanas de tiempo. Los investigadores han presentado ahora el proceso en un estudio en Nature Communications, demostrando por primera vez una puerta C-NOT totalmente reconfigurable en codificación temporal pura. La estructura utiliza un modo de luz espacial único y puede reprogramarse para cada operación individual, lo que la distingue fundamentalmente de los chips ópticos rígidos. Es precisamente esta flexibilidad la que hasta ahora se ha considerado uno de los principales obstáculos para las arquitecturas informáticas basadas en la luz.

El corazón del experimento son dos circuitos de fibra óptica con longitudes de 1.085 metros y 1.120 metros, que sirven como líneas de retardo. La diferencia de longitud garantiza que las partículas de luz en el circuito más largo lleguen al elemento de conmutación central exactamente 170 nanosegundos más tarde que en el circuito más corto. Este elemento de conmutación es un modulador electroóptico rápido basado en una celda de Pockels, que puede rotar individualmente la polarización de los fotones para cada ventana de tiempo y, por lo tanto, actúa como un divisor de haz ajustable libremente. Al permitir que las partículas de luz viajen varias vueltas a través de los circuitos, se puede hacer que las ventanas de tiempo cercanas interfieran específicamente y simulen así cualquier circuito. Como partículas informáticas sirven pares de fotones con una longitud de onda de 1.545 nanómetros, generados en una guía de ondas cristalina no lineal. En total, la configuración puede gestionar hasta 30 ventanas de tiempo y, por tanto, 60 modos ópticos simultáneamente.

La puerta C-NOT alcanza una calidad de casi el 94%.

Para probar su rendimiento, los físicos reconstruyeron la tabla de verdad completa de la puerta y la compararon con el ideal teórico. El circuito alcanzó una calidad del 93,8% con una incertidumbre de 1,4 puntos porcentuales. Según un comunicado de la Universidad de Paderborn, este valor abre la puerta a circuitos cuánticos reconfigurables más grandes porque puede competir con las mejores implementaciones codificadas espacialmente del mismo esquema. El análisis de las fuentes de error es notable: incluso una puerta que funcionara perfectamente podría haber alcanzado una calidad de como máximo el 95% en el experimento, ya que la distinguibilidad restante de los pares de fotones y los raros eventos multifotónicos de la fuente limitan la medición. Por tanto, el circuito real funciona casi sin errores; las desviaciones restantes surgen casi en su totalidad de la generación de fotones. Para puertas ópticas de dos qubits, este resultado es uno de los mejores valores reportados hasta ahora para este tipo de circuito.

En un segundo paso, el equipo combinó la puerta C-NOT con una operación de un qubit, creando los cuatro llamados estados Bell, los estados fundamentales con el entrelazamiento máximo de dos qubits. El entrelazamiento se logró con cualidades de aproximadamente 78 a 86% y demuestra que la plataforma domina los elementos fundamentales de los circuitos cuánticos universales. Esto hace que el enfoque sea significativamente diferente de las demostraciones especializadas en las que los procesadores cuánticos solo manejan una tarea única y especialmente seleccionada. Por ejemplo, el procesador Sycamore de Google resolvió una tarea aleatoria 47 años más rápido que un superordenador, sin que de él se derivara directamente ninguna operación informática universal. El marco de Paderborn, por el contrario, se centra en las operaciones básicas a partir de las cuales, en principio, puede componerse cualquier algoritmo cuántico y reconfigurar completamente sus procesos de conmutación. Es precisamente esta combinación de capacidades de entrelazamiento y programabilidad la que durante mucho tiempo se ha considerado particularmente difícil de lograr en fotónica.

Fibras más largas en lugar de más componentes.

La principal ventaja del método de multiplexación por división de tiempo es su escalabilidad. Mientras que en los chips fotónicos codificados espacialmente el número de divisores de haz, desfasadores y acopladores aumenta con cada modo adicional y, por tanto, también aumentan los errores de fabricación y las diafonías, en la arquitectura de Paderborn el número de componentes activos permanece constante. En principio, las redes más grandes se implementan exclusivamente a través de fibras ópticas más largas. Además, es posible leer ventanas de tiempo individuales durante la operación y ajustar dinámicamente las operaciones posteriores, una capacidad que se considera indispensable para la corrección de errores y los bucles de retroalimentación cuántica. Sin embargo, el experimento tiene limitaciones: la eficiencia global desde la fuente hasta el detector es hasta el momento del 21%, la puerta funciona de manera probabilística con la posterior selección de eventos exitosos y solo alrededor de 450 eventos contribuyen al éxito de las operaciones de la puerta por hora de medición. Para cálculos prácticos, estas tasas deben aumentar significativamente.

Los investigadores ven un camino técnico claro para ello. Circuitos electroópticos más rápidos con anchos de banda de hasta 100 megahercios, que se espera que estén disponibles en un futuro próximo, acortarían la distancia de las ventanas de tiempo en un orden de magnitud, reducirían las pérdidas de bucle a aproximadamente un 10 por ciento y aumentarían treinta veces la velocidad de transmisión de datos del sistema. El resultado también fortalece a Alemania como lugar de investigación que, según los planes del gobierno federal, debería convertirse en líder mundial en tecnologías cuánticas. El sistema PaQS, que se presentará en 2024, es ya en Paderborn la máquina más grande de Europa para el llamado muestreo de bosones gaussianos, un proceso fotónico especial sin puertas universales. La nueva arquitectura multiplex por división de tiempo integra ahora este trabajo preliminar precisamente con aquellos elementos reconfigurables fundamentales que aún faltaban para una computadora cuántica fotónica universal. Sin embargo, probablemente serán necesarios años de intenso trabajo de desarrollo antes de que una computadora de este tipo pueda resolver problemas cotidianos complejos.

Nature Communications, demostración de una puerta C-NOT cuántica en un procesador fotónico totalmente reconfigurable y multiplexado en el tiempo; doi:10.1038/s41467-026-74861-9