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2023-01-06La nueva arquitectura de computación cuántica podría usarse para conectar dispositivos a gran escala

MIT |Los investigadores han demostrado la emisión direccional de fotones, el primer paso hacia las interconexiones cuánticas extensibles.

Las computadoras cuánticas prometen realizar ciertas tareas que son intratables incluso en las supercomputadoras más poderosas del mundo. En el futuro, los científicos anticipan el uso de la computación cuántica para emular sistemas de materiales, simular la química cuántica y optimizar tareas difíciles, con impactos que pueden abarcar desde las finanzas hasta los productos farmacéuticos.

Sin embargo, cumplir esta promesa requiere un hardware resistente y extensible. Un desafío en la construcción de una computadora cuántica a gran escala es que los investigadores deben encontrar una forma efectiva de interconectar los nodos de información cuántica: nodos de procesamiento a menor escala separados en un chip de computadora. Debido a que las computadoras cuánticas son fundamentalmente diferentes de las computadoras clásicas, las técnicas convencionales utilizadas para comunicar información electrónica no se traducen directamente en dispositivos cuánticos. Sin embargo, un requisito es seguro: ya sea a través de una interconexión clásica o cuántica, la información transportada debe transmitirse y recibirse.    

Con este fin, los investigadores del MIT han desarrollado una arquitectura de computación cuántica que permitirá una comunicación extensible y de alta fidelidad entre los procesadores cuánticos superconductores. En un trabajo publicado hoy en Nature Physics , los investigadores del MIT demuestran el primer paso, la emisión determinista de fotones individuales (portadores de información) en una dirección especificada por el usuario. Su método asegura que la información cuántica fluya en la dirección correcta más del 96 por ciento del tiempo.

La vinculación de varios de estos módulos permite una red más grande de procesadores cuánticos que están interconectados entre sí, sin importar su separación física en un chip de computadora.

“Las interconexiones cuánticas son un paso crucial hacia las implementaciones modulares de máquinas a mayor escala construidas a partir de componentes individuales más pequeños”, dice Bharath Kannan PhD ´22, coautor principal de un artículo de investigación que describe esta técnica.

“La capacidad de comunicarse entre subsistemas más pequeños permitirá una arquitectura modular para procesadores cuánticos, y esta puede ser una forma más sencilla de escalar a sistemas de mayor tamaño en comparación con el enfoque de fuerza bruta de usar un solo chip grande y complicado”, agrega Kannan.

Kannan escribió el artículo con la coautora principal Aziza Almanakly, una estudiante graduada de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación en el grupo de Ingeniería de Sistemas Cuánticos del Laboratorio de Investigación de Electrónica (RLE) en el MIT. El autor principal es William D. Oliver, profesor de ingeniería eléctrica e informática y de física del MIT, miembro del Laboratorio Lincoln del MIT, director del Centro de Ingeniería Cuántica y director asociado de RLE.

Información cuántica en movimiento

En una computadora clásica convencional, varios componentes realizan diferentes funciones, como memoria, computación, etc. La información electrónica, codificada y almacenada como bits (que toman el valor de 1 o 0), se transporta entre estos componentes mediante interconexiones, que son cables. que mueven electrones en un procesador de computadora.

Pero la información cuántica es más compleja. En lugar de tener solo un valor de 0 o 1, la información cuántica también puede ser 0 y 1 simultáneamente (un fenómeno conocido como superposición). Además, la información cuántica puede ser transportada por partículas de luz, llamadas fotones. Estas complejidades añadidas hacen que la información cuántica sea frágil y no se puede transportar simplemente utilizando protocolos convencionales.

Una red cuántica vincula los nodos de procesamiento mediante fotones que viajan a través de interconexiones especiales conocidas como guías de ondas. Una guía de ondas puede ser unidireccional y mover un fotón solo hacia la izquierda o hacia la derecha, o puede ser bidireccional.

La mayoría de las arquitecturas existentes utilizan guías de ondas unidireccionales, que son más fáciles de implementar ya que la dirección en la que viajan los fotones se establece fácilmente. Pero dado que cada guía de ondas solo mueve fotones en una dirección, se necesitan más guías de ondas a medida que se expande la red cuántica, lo que hace que este enfoque sea difícil de escalar. Además, las guías de ondas unidireccionales suelen incorporar componentes adicionales para reforzar la direccionalidad, lo que introduce errores de comunicación.

“Podemos deshacernos de estos componentes con pérdida si tenemos una guía de ondas que pueda admitir la propagación en las direcciones izquierda y derecha, y un medio para elegir la dirección a voluntad. Esta transmisión direccional es lo que demostramos, y es el primer paso hacia la comunicación bidireccional con fidelidades mucho más altas”, dice Kannan.

Usando su arquitectura, se pueden unir múltiples módulos de procesamiento a lo largo de una guía de ondas. Una característica notable del diseño de la arquitectura es que el mismo módulo se puede usar como transmisor y como receptor, dice. Y los fotones pueden ser enviados y capturados por dos módulos a lo largo de una guía de ondas común.

“Solo tenemos una conexión física que puede tener cualquier cantidad de módulos en el camino. Esto es lo que lo hace escalable. Habiendo demostrado la emisión direccional de fotones de un módulo, ahora estamos trabajando para capturar ese fotón aguas abajo en un segundo módulo”, agrega Almanakly.

Aprovechando las propiedades cuánticas

Para lograr esto, los investigadores construyeron un módulo que comprende cuatro qubits.

Los qubits son los componentes básicos de las computadoras cuánticas y se utilizan para almacenar y procesar información cuántica. Pero los qubits también se pueden usar como emisores de fotones. Agregar energía a un qubit hace que el qubit se excite y luego, cuando se desexcite, el qubit emitirá la energía en forma de fotón.

Sin embargo, la simple conexión de un qubit a una guía de ondas no garantiza la direccionalidad. Un solo qubit emite un fotón, pero si viaja hacia la izquierda o hacia la derecha es completamente aleatorio. Para evitar este problema, los investigadores utilizan dos qubits y una propiedad conocida como interferencia cuántica para garantizar que el fotón emitido viaje en la dirección correcta.

La técnica consiste en preparar los dos qubits en un estado entrelazado de excitación única llamado estado de Bell. Este estado de la mecánica cuántica comprende dos aspectos: el qubit izquierdo está excitado y el qubit derecho está excitado. Ambos aspectos existen simultáneamente, pero se desconoce qué qubit está excitado en un momento dado.

Cuando los qubits están en este estado de campana entrelazada, el fotón se emite de manera efectiva a la guía de ondas en las dos ubicaciones de qubit simultáneamente, y estas dos "trayectorias de emisión" interfieren entre sí. Dependiendo de la fase relativa dentro del estado de Bell, la emisión de fotones resultante debe viajar hacia la izquierda o hacia la derecha. Al preparar el estado de Bell con la fase correcta, los investigadores eligen la dirección en la que viaja el fotón a través de la guía de ondas.

Pueden usar esta misma técnica, pero a la inversa, para recibir el fotón en otro módulo.

“El fotón tiene cierta frecuencia, cierta energía, y puedes preparar un módulo para recibirlo sintonizándolo a la misma frecuencia. Si no están en la misma frecuencia, entonces el fotón simplemente pasará. Es análogo a sintonizar una radio a una estación en particular. Si elegimos la frecuencia de radio correcta, recogeremos la música transmitida en esa frecuencia”, dice Almanakly.

Los investigadores descubrieron que su técnica logró más del 96 por ciento de fidelidad, lo que significa que si tenían la intención de emitir un fotón a la derecha, el 96 por ciento de las veces fue a la derecha.

Ahora que han utilizado esta técnica para emitir fotones de manera efectiva en una dirección específica, los investigadores quieren conectar varios módulos y utilizar el proceso para emitir y absorber fotones. Este sería un paso importante hacia el desarrollo de una arquitectura modular que combine muchos procesadores de menor escala en un procesador cuántico de mayor escala y más potente.

"El trabajo demuestra un emisor cuántico bajo demanda, en el que la interferencia del fotón emitido desde un estado entrelazado define la dirección, lo que manifiesta maravillosamente el poder de la electrodinámica cuántica de guía de ondas", dice Yasunobu Nakamura, director del Centro RIKEN para Computación Cuántica, que no participó en esta investigación. "Se puede utilizar como un nodo cuántico totalmente programable que puede emitir/absorber/pasar/almacenar información cuántica en una red cuántica y como interfaz para un bus que conecta múltiples chips de computadora cuántica".

La investigación está financiada, en parte, por el Centro de Computación Cuántica de AWS, la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU., los Centros Nacionales de Investigación de Ciencias de la Información Cuántica de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. de Defensa.

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