Computación cuántica: cómo la fibra óptica básica de banda ancha podría allanar el camino para el próximo avance

Un nuevo estudio del NIST puede ser la clave para acelerar el desarrollo de computadoras cuánticas a gran escala que contengan 1 millón de qubits, utilizando cables de telecomunicaciones simples.

El procesador cuántico Sycamore de Google.

La utilidad de la mayoría de los ordenadores cuánticos todavía está limitada por el número de qubits que el hardware puede soportar. Pero los simples cables de fibra óptica, como los que se utilizan para las conexiones de banda ancha, pueden ser la respuesta.

Un equipo de investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) ha descubierto que con ligeros ajustes, las fibras ópticas pueden comunicarse con qubits dentro de una computadora cuántica superconductora con la misma precisión que los métodos existentes.

A diferencia de los cables metálicos que se utilizan actualmente, es fácil aumentar el número de cables de fibra óptica en un dispositivo, lo que significa que se pueden utilizar más qubits para comunicarse. Según el NIST, estos hallazgos allanaron el camino para empaquetar un millón de qubits en una computadora cuántica. Actualmente, la mayoría de los dispositivos admiten menos de 100.

Las computadoras cuánticas superconductoras, como las que están construyendo IBM y Google, requerirían que los qubits se colocaran en un procesador cuántico enfriado a 15 kilokelvin (más frío que el espacio exterior) para proteger las partículas en estados cuánticos extremadamente frágiles.

Pero ya sea para controlar o medir qubits, los investigadores primero necesitan comunicarse con el procesador. Esto significa que se debe establecer una línea de conexión entre la electrónica a temperatura ambiente y el entorno criogénico de los circuitos cuánticos.

Normalmente, los científicos utilizan pulsos de microondas para comunicarse con los qubits. Al variar la frecuencia y la duración, los pulsos pueden afectar el estado del qubit; o los investigadores pueden "leer" información basada en qubit observando la amplitud de la señal de microondas reflejada.

Los pulsos de microondas normalmente se envían a qubits ultrafríos a través de cables metálicos coaxiales. Esto presenta un problema práctico: un conjunto de cables metálicos puede conectar hasta 1.000 qubits; de lo contrario, no es factible incorporar más cables a un sistema.

Sin embargo, cuando se trata de ampliar los ordenadores cuánticos, las empresas tienen objetivos ambiciosos. IBM, por ejemplo, está en camino de alcanzar los 1.000 qubits en 2023 con un procesador llamado IBM Quantum Condor, con el objetivo a largo plazo de construir un sistema cuántico de 1 millón de qubits.

John Teufel, investigador del Instituto Nacional de Tecnología y Tecnología que participó en el último estudio del instituto, explicó que los cables metálicos coaxiales no durarán mucho. "La mayoría de los esfuerzos de la computación cuántica en la vida real se centran en impulsar el uso de métodos de cableado tradicionales", dijo Teufel a ZDNet. "Aunque esto todavía no es un cuello de botella en los sistemas más avanzados, en un futuro próximo será muy importante". .. Todas las empresas que trabajan en computación cuántica son muy conscientes de que para lograr su objetivo final serán necesarios nuevos avances."

Los investigadores optaron por sustituirla por la conocida tecnología de fibra óptica. Cable metálico. Imagen: NIST

Para resolver este problema, Teufel y su equipo en NIST optaron por reemplazar los cables metálicos con tecnología de fibra óptica familiar basada en núcleos de vidrio o plástico que se espera sean capaces de conducir calor sin vector descendente. Los qubits transmiten una gran cantidad de señales.

Utilizando técnicas tradicionales, los investigadores convirtieron los pulsos de microondas en señales luminosas que podían transmitirse a través de cables de fibra óptica. Una vez que las partículas de luz llegan al procesador cuántico, los fotodetectores criogénicos las convierten nuevamente en microondas y luego las entregan a los qubits.

Las fibras ópticas se utilizan para controlar y medir qubits, con resultados prometedores: la nueva configuración puede mapear con precisión el estado del qubit en 98 segundos, lo que es consistente con el uso de coaxial regular. La precisión obtenida es la misma para las líneas.

Teufel y su equipo ahora imaginan un procesador cuántico en el que la luz en fibras ópticas transmite señales entre qubits, cada uno de los cuales se comunica con un cable. "A diferencia de los cables coaxiales metálicos tradicionales, la fibra en sí no es el cuello de botella en cuanto a cuántos qubits puedes comunicar", dijo Teufel. "Simplemente puedes darle a cada qubit una fibra dedicada para enviar la señal, incluso a cien qubits". "Un millón de fibras ópticas parece factible, pero un millón de líneas coaxiales no". Teufel señaló que otra ventaja de los cables de fibra óptica es la capacidad de transporte de información de un solo cable de fibra óptica. Los cables metálicos son mucho más grandes. Se podrían enviar más señales (hasta miles) a través de una sola fibra óptica, y los científicos prevén separar y redirigir estas señales a diferentes qubits en un procesador. Esto permitiría efectivamente que un solo cable de fibra óptica se comunicara con varios qubits simultáneamente.

El experimento aún no se ha realizado. Mientras tanto, Teufel cree que todas las miradas estarán puestas en los últimos hallazgos del NIST. "En última instancia, se necesitarán nuevos métodos de cableado, como el que demostramos aquí, para mantener la increíble trayectoria de crecimiento de los esfuerzos de la computación cuántica", afirmó Teufel.