Un equipo de ingenieros ha construido un chip óptico ultrafino que puede controlar con precisión la luz láser con mucha menos energía, lo que ofrece una vía práctica para desarrollar computadoras cuánticas mucho más grandes. El dispositivo se fabrica en fábricas de chips estándar, lo que lo hace económico y escalable.
Un nuevo chip óptico, casi 100 veces más delgado que un cabello humano, podría ayudar a convertir las actuales computadoras cuánticas de laboratorio en máquinas poderosas con miles o incluso millones de bits cuánticos.
Los investigadores informan que su pequeño dispositivo, publicado En Nature Communications, puede remodelar con precisión la luz láser con una fracción de la potencia del voluminoso hardware actual. Y lo que es más importante, se fabrica con la misma tecnología de producción en masa que se utiliza para los chips informáticos cotidianos, lo que facilita su fabricación en grandes cantidades.
El trabajo, dirigido por Jake Freedman, un estudiante de doctorado entrante en el Departamento de Ingeniería Eléctrica, Informática y Energética de la Universidad de Colorado en Boulder, Matt Eichenfield, profesor y titular de la Cátedra Karl Gustafson en Ingeniería Cuántica, y colaboradores de los Laboratorios Nacionales Sandia, incluido el coautor principal Nils Otterstrom, aborda uno de los mayores obstáculos para ampliar la escala de las computadoras cuánticas: controlar la luz.
Muchos de los ordenadores cuánticos más prometedores almacenan información en átomos o iones individuales, fijados mediante campos electromagnéticos. Para operar estos cúbits, los investigadores deben dirigirse con precisión a cada átomo con rayos láser, utilizando pequeños cambios en la frecuencia del láser para codificar y manipular la información cuántica.
En esencia, los científicos necesitan poder “hablar” de manera confiable con cada átomo sin perturbar a sus vecinos.
Freedman explicó que hacer copias ligeramente desplazadas de un láser es fundamental para esa tarea.
“Crear nuevas copias de un láser con diferencias de frecuencia muy exactas es una de las herramientas más importantes para trabajar con computadoras cuánticas basadas en átomos e iones”, declaró en un comunicado de prensa. “Pero para hacerlo a gran escala, se necesita tecnología que pueda generar esas nuevas frecuencias de manera eficiente”.
Actualmente, estos cambios de frecuencia suelen producirse mediante grandes moduladores electroópticos de sobremesa, instalados en bancos ópticos y que consumen mucha energía de microondas. Funcionan bien en experimentos con pequeñas cantidades de cúbits, pero no están diseñados para sistemas que eventualmente podrían necesitar decenas o cientos de miles de canales ópticos separados.
Eichenfield planteó el desafío sin rodeos.
“No se va a construir una computadora cuántica con 100,000 moduladores electroópticos a granel almacenados en un almacén lleno de mesas ópticas”, declaró en el comunicado de prensa. “Se necesitan métodos mucho más escalables para fabricarlos, que no requieran ensamblaje manual ni trayectorias ópticas largas. De paso, si se logra que quepan todos en unos pocos microchips pequeños y se produce 100 veces menos calor, es mucho más probable que funcione”.
El nuevo dispositivo del equipo es un paso en esa dirección. Se trata de un modulador de fase óptico, un componente que cambia la fase de la luz; en esencia, cómo se alinean los picos y valles de una onda de luz con el tiempo. Al controlar la fase a velocidades muy altas, el chip puede generar nuevas frecuencias con un espaciado preciso a partir de un solo láser.
Para ello, el dispositivo utiliza vibraciones mecánicas de frecuencia de microondas que oscilan miles de millones de veces por segundo. Estas vibraciones ultrarrápidas interactúan con la luz que viaja a través del chip, imprimiendo cambios controlados en la fase del láser. El resultado es un conjunto de nuevas frecuencias láser con alta estabilidad y eficiencia, cruciales para la computación cuántica, la detección cuántica y las redes cuánticas.
Según los investigadores, su modulador de fase puede generar estas nuevas frecuencias consumiendo aproximadamente 80 veces menos energía de microondas que muchos dispositivos comerciales. Un menor consumo de energía implica menos calor, lo que a su vez permite agrupar muchos más canales, potencialmente en un solo chip.
Esa combinación de eficiencia, compacidad y precisión es lo que hace que la tecnología sea prometedora para las futuras máquinas cuánticas que podrían necesitar coordinar una intrincada “danza” de miles de átomos a la vez.
Igualmente significativo es el proceso de fabricación del dispositivo. En lugar de depender de componentes hechos a mano y personalizados, el equipo fabricó los moduladores íntegramente en una planta de fabricación de semiconductores estándar, a menudo llamada "fab".
“La fabricación de CMOS es la tecnología más escalable que la humanidad haya inventado jamás”, añadió Eichenfield, refiriéndose al proceso utilizado para construir microprocesadores y chips de memoria modernos. “Cada chip microelectrónico de cada teléfono móvil o computadora contiene miles de millones de transistores prácticamente idénticos. Por lo tanto, mediante la fabricación de CMOS, en el futuro podremos producir miles o incluso millones de versiones idénticas de nuestros dispositivos fotónicos, que es precisamente lo que necesitará la computación cuántica”.
Según Otterstorm, este trabajo transforma dispositivos que antes eran caros, voluminosos y de alto consumo energético en dispositivos más eficientes y compactos. Describió este cambio como un punto de inflexión para las tecnologías basadas en la luz.
"Estamos ayudando a impulsar la óptica hacia su propia 'revolución de transistores', alejándose del equivalente óptico de los tubos de vacío y acercándose a tecnologías fotónicas integradas escalables", agregó Otterstorm.
A largo plazo, ese tipo de “revolución de los transistores” para la óptica podría hacer por el hardware cuántico lo que los circuitos integrados hicieron por la informática clásica en el siglo XX: reducir los sistemas del tamaño de una habitación a chips y hacerlos lo suficientemente baratos y confiables para implementarlos ampliamente.
El equipo ya está trabajando en el siguiente paso. Están desarrollando circuitos fotónicos totalmente integrados que combinan varias funciones clave (generación de frecuencia, filtrado y conformación de pulsos) en un mismo chip. Esto los acercaría a una plataforma de control óptico completa y lista para usar para computadoras cuánticas.
A continuación, los investigadores planean colaborar con empresas de computación cuántica para probar versiones de estos chips en sistemas de vanguardia de iones atrapados y átomos neutros atrapados. Estas colaboraciones ayudarán a demostrar el rendimiento de los nuevos moduladores en condiciones reales y qué mejoras son necesarias.
Freedman considera que el dispositivo es un hito crucial en el camino hacia máquinas cuánticas prácticas a gran escala.
“Este dispositivo es una de las últimas piezas del rompecabezas”, añadió. “Nos estamos acercando a una plataforma fotónica verdaderamente escalable, capaz de controlar cantidades muy grandes de cúbits”.
Fuente: Universidad de Colorado Boulder