Representación artística del dispositivo experimental con los fotones del haz óptico (rojo) entrando y saliendo del cristal electroóptico y resonando en su parte circular, así como los fotones de microondas generados (azul) saliendo del dispositivo. Crédito: Eli Krantz, Krantz NanoArt
Por primera vez, los investigadores de ISTA han entrelazado microondas y fotones ópticos.
La computación cuántica tiene el potencial de abordar cuestiones complejas en campos como la ciencia de los materiales y la criptografía, problemas que permanecerán fuera del alcance incluso de las supercomputadoras convencionales más poderosas del futuro. Sin embargo, lograr esta hazaña probablemente requerirá millones de qubits de alta calidad, dada la corrección de errores requerida.
El progreso en los procesadores superconductores avanza a buen ritmo con el recuento actual de qubits en unos pocos cientos. El atractivo de esta tecnología radica en su rápida velocidad computacional y compatibilidad con la fabricación de microchips. Sin embargo, el requisito de temperaturas extremadamente bajas limita el tamaño del procesador e impide cualquier acceso físico una vez que se ha enfriado.
Una computadora cuántica modular con varios 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 procesadores. El mundo a temperatura ambiente hierve de calor, lo que interrumpe fácilmente los fotones de microondas y sus frágiles propiedades cuánticas como el entrelazamiento.
Investigadores del grupo Fink del Instituto Austriaco de Ciencia y Tecnología (ISTA), junto con colaboradores de TU Wien y la Universidad Técnica de Munich, han demostrado un importante paso tecnológico para superar estos desafíos. Enredaron microondas de baja energía con fotones ópticos de alta energía por primera vez.
Este 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 aumentar el hardware cuántico existente, sino que también es necesario para realizar interconexiones con otras plataformas de computación cuántica, así como para nuevas aplicaciones de detección remota cuántica mejorada. Sus resultados fueron publicados en la revista Science.
Los qubits son las unidades de información básicas de las computadoras cuánticas. Vienen con una variedad única de propiedades como el enredo. El entrelazamiento es importante para las computadoras cuánticas porque les permite realizar cálculos de una manera que las computadoras no cuánticas no pueden. Crédito: Mark Belan/ISTA
Enfriando el Ruido
Rishabh Sahu, un postdoctorado en el grupo Fink y uno de los primeros autores del nuevo estudio, explica: «Un gran problema para cualquier qubit es el ruido. Se puede pensar en el ruido como cualquier perturbación en el qubit. Una de las principales fuentes 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 cúbits 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», donde 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, alrededor de -273 grados centígrados. Sahu agrega emocionado: «Eso hace que estos refrigeradores en nuestros laboratorios sean los lugares más fríos de todo el universo, incluso más fríos que el espacio mismo».
La configuración experimental con el enfriador de dilución, la cavidad superconductora y la división del cristal electroóptico y el enredo de fotones. Crédito: Mark Belan/ISTA
El refrigerador necesita enfriar continuamente los qubits, pero cuantos más qubits y el cableado de control asociado agregue, 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, hemos alcanzado los límites del enfriamiento”, advierte Sahu. «La ampliación por sí sola 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 descubren problemas cuando el procesador está frío y sin la capacidad de intervenir y solucionar esos problemas».
Ondas cuánticas
«Si un enfriador de dilución no puede enfriar suficientemente más de mil qubits superconductores a la vez, necesitamos conectar varias computadoras cuánticas más pequeñas para que trabajen juntas», explica Liu Qiu, becario postdoctoral en el grupo Fink y otro primer autor del nuevo estudio. “Necesitaríamos una red cuántica”.
Encender dos computadoras cuánticas superconductoras, cada una con su propio enfriador de dilución, no es tan simple 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 utilizando 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 en 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 en nuestros hogares. Esta tecnología es bien conocida y mucho menos susceptible al ruido del calor. Agrega Qiu: «El desafío era cómo hacer que los fotones de microondas interactúen con los fotones ópticos y cómo entrelazarlos».
dividiendo la luz
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 microondas. fotones Trabajamos durante meses mejorando el experimento y obteniendo las medidas correctas”.
Para resolver este problema, los investigadores construyeron un dispositivo superconductor que era más voluminoso en comparación con los intentos anteriores. Esto no solo evita que la superconductividad se rompa, sino que también ayuda a enfriar el dispositivo de manera más efectiva y lo mantiene fresco durante los cortos intervalos de tiempo de los pulsos de láser óptico.
“El descubrimiento es que los dos fotones que salen del dispositivo, el fotón óptico y el de microondas, están entrelazados”, explica Qiu. «Esto se verificó 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 hacia la creación de una red cuántica y también es útil para otras tecnologías cuánticas, como la detección cuántica mejorada».
Referencia: “Enredo de microondas con luz” por R. Sahu, L. Qiu, W. Hease, G. Arnold, Y. Minoguchi, P. Rabl y JM Fink, 18 de mayo de 2023, Science.
DOI: 10.1126/ciencia.adg3812
El estudio fue financiado por el Consejo Europeo de Investigación, el Programa Marco Horizonte 2020 y el Fondo de Ciencias de Austria.
