Simulan una puerta lógica óptica que permitirá en diez años tener prototipos de computadores ópticos cuánticos a temperatura ambiente.
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Siempre hay temas de investigación que están de moda. Uno de los que están ahora de moda es el de la computación cuántica.
Un computador normal toma un input, como pueda set un par de bits con un valor de 1 o 0 y los combina a través de una puerta lógica para obtener un resultado. Un computador cuántico no usa bits, sino qbits. Los elementos físicos correspondientes pueden estar en una superposición de distintos estados cuánticos, de tal modo que un sólo de esos elementos almacene distintos valores a la vez, distintos estados cuánticos.
Lo interesante de un computador cuántico es que se puede usar como input un conjunto de qubits y operarlos con puertas lógicas para obtener resultados de tal modo que se operan, a la vez, todos esos valores simultáneamente. Digamos que hay una suerte de procesamiento en paralelo.
Este paralelismo por sí mismo no le da su potencia a los computadores cuánticos, pues así, tal cual, no sería más que fuerza bruta. Para poder usar qubits de una manera eficiente hay que desarrollar algoritmos cuánticos. El más famoso es el algoritmo de Shor, que implementado en un computador cuántico, permite factorizar (descomponer en primos) números compuestos de manera eficiente y, por tanto, quebrar el sistema de cifrado RSA que usamos para el comercio electrónico, por ejemplo.
Pero, para poder mantener esa superposición de estados se requiere unas condiciones muy complicadas de alcanzar. Cualquier perturbación provoca la decoherencia de esa superposición y el sistema elige uno de los estados. Y esa perturbación puede ser simplemente la temperatura. Esta es la razón por la cual que los prototipos de computadoras cuánticas que hay ahora, y que calculan poca cosa, operan a temperaturas cercanas al cero absoluto. A veces se trata de iones atrapados en trampas láser a una temperatura del microkelvin.
Tener un computador que requiera refrigeración que alcance esas temperaturas es algo muy engorroso, muy caro y consume grandes cantidades de energía. Así que no puede ser práctico. El sueño sería tener un computador cuántico que opere a temperatura ambiente y si, además, es de estado sólido mejor que mejor.
Ahora un grupo de investigadores de la armada norteamericana y del MIT predice que habrá computadores cuánticos a temperatura ambiente dentro de unos 10 años. Forman parte de este grupo Kurt Jacobs (U.S. Army Combat Capabilities Development Command’s Army Research Laboratory), Mikkel Heuck y Dirk Englund, del MIT.
Unas de las rutas que se ha seguido para conseguir este objetivo es usando cristales transparente con propiedades ópticas no lineales. Aunque esta vía ha sido criticada por algunos que dicen que no tiene futuro.
Sin embargo, parece que este grupo de investigadores ha validado esta vía al demostrar la viabilidad de un puerta lógica cuántica usando circuitos fotónicos y cristales. Aunque no tengan aún un prototipo real.
Los circuitos fotónicos son como los circuitos eléctricos, excepto que manipulan luz en lugar de corriente eléctrica. Así, por ejemplo, y tal y como dice Englund, se pueden trazar canales en materiales transparentes por donde circulan los fotones de manera similar a los cables por donde circulan los electrones en los circuitos eléctricos.
Este sistema no se ve afectado por la temperatura, pero, a cambio, no es fácil crear puertas lógicas con él, pues los fotones que hacen de entrada tienen que interaccionar con otros fotones de una determinada manera para así obtener una salida. De este modo se puede obtener una operación lógica.
Normalmente se pueden fabricar cavidades en un cristal que atrapen temporalmente fotones en su seno de tal modo que la cavidad sea biestable. Es decir, que esté en 1 (que haya un fotón) o 0 (que no haya fotones). Se puede conseguir, además, superposición de estados, por lo que estas cavidades podrían funcionar como qubits. La puerta lógica actúa sobre dos de esas cavidades a la vez y puede establecerse un entrelazamiento entre ellas. Esto permite montar un computador cuántico.
Pese a la inmensas promesas que esto implica, hasta ahora la comunidad científica creía que esta vía de usar puertas lógicas en cristales no lineales era una mera especulación y había muchas dudas sobre si este camino llevaría a puertas lógicas prácticas.
Esta duda ha quedado despejada a partir de este nuevo resultado en el que se ha demostrado que son posibles las puertas lógicas prácticas en circuitos usando componentes fotónicos ya establecidos.
El problema hasta ahora era que cuando un fotón viaja por una canal tiene asociado un paquete de ondas con cierta forma y se necesita que este fotón no cambie la forma de su paquete una vez pase por la puerta lógica. Pero como las propiedades ópticas no lineales distorsionan la forma de este paquete de ondas, no estaba claro que la condición previa se pueda mantener una vez se van metiendo fotones en las cavidades.
Pero no está todo hecho. Pese a que los investigadores han conseguido numerosas simulaciones que permiten predecir que estas puertas lógicas son posibles, la construcción real de las mismas requiere de unos refinamientos en el control de calidad de los componentes que todavía no se han alcanzado.
Basándose en el progresos tecnológico en este campo en el pasado, este grupo predice que la calidad necesaria para obtener este tipo de puertas lógicas se pueda alcanzar en unos 10 años.
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Fuentes y referencias:
Artículo original. [2]
Gráfico: Mikkel Heuck, Kurt Jacobs y Dirk R. Englund.