Computadora cuántica.
Computadora cuántica. Crédito: Sergey Gnuskov/NUST MISIS.

Durante mucho tiempo, los físicos han intentado propiciar la interacción entre los fotones, partículas de luz individuales, tan individuales que no suelen relacionarse. Sin embargo, una serie de experimentos recientes parecen haber cambiado la historia.

Un equipo internacional de NUST MISIS, el Russian Quantum Center, el Ioffe Institute St. Petersburg y el Karlsruhe Institute of Technology logró, por primera vez, obtener la primera evidencia experimental de que la interacción entre fotones sí es posible.

Y, tal como indican en su artículo en la revista npk Quantum Materials, este hallazgo podría allanar el camino hacia el desarrollo de una memoria cuántica de larga duración y el desarrollo de dispositivos cuánticos comerciales.

Los fotones pueden enviar información cuántica, pero su interacción es nula

Los fotones constituyen una opción ideal para el envío de información cuántica por su potencial de transferirla literalmente a la velocidad de la luz. Lamentablemente, el hecho de que sean veloces no los hace completamente aptos para dicha tarea ya que no les gusta interactuar entre sí.

En un esfuerzo por solucionar este problema, los científicos hicieron una serie de experimentos que involucraron tanto estas partículas de luz, con una frecuencia de unos pocos GHz y una longitud de onda de unos pocos centímetros, como codos superconductores.

Cúbits superconductores sí interactúan con la luz

Los cúbits superconductores pueden definirse como átomos artificiales fabricados por el hombre con ciertas modificaciones respecto a los naturales para hacerlos más prácticos.

Por ejemplo, los átomos naturales interactúan de forma leve con la luz, lo cual se ha atribuido a su bajo pequeño tamaño. En cambio, los cúbits superconductores pueden llegar a medir hasta 0,1 mm, lo que a su vez aumenta su momento dipolar y polaridad y, por ende, pueden establecer una fuerte interacción entre la luz y la materia.

“Usamos codos superconductores, que son básicamente átomos artificiales, porque se ha demostrado que interactúan fuertemente con la luz”, dijo el profesor Alexey Ustinov, jefe del Laboratorio de Metamateriales Superconductores en NUST MISIS y Jefe de Grupo en Rusia Quantum Center.

Tamaño, cantidad y temperatura, factores que importan en el diseño de dispositivos cuánticos

Pero, pese a este potencial, los cúbits superconductores requieren temperaturas de mili-Kelvin para cumplir su cometido. Para tener una idea más clara, vale usar como referencia los dispositivos cuánticos superconductores existentes.

El más potente de los dispositivos cuánticos superconductores existentes contiene menos de 100 cúbits. Añadir superconductores aumenta la eficiencia de la máquina de manera exponencialmente, pero al hacerlo, también es necesario contemplar la refrigeración. El tamaño de los refrigeradores utilizados para enfriarlos a temperaturas operativas limita la cantidad de superconductores que se pueden añadir en una computadora cuántica.

Una peculiar, pero efectiva interacción entre fotones

Conscientes de ello, los científicos han planteado un modelo enfocado en la transmisión de señales cuánticas de un refrigerador a otro para poder aumentar la potencia de procesamiento de una computadora cuántica. Y este es el punto en que entran en juego los aspectos comentados inicialmente sobre los fotones y su interacción.

“Al emplear líneas de polarización de flujo dedicadas para cada cúbit, establecemos el control sobre sus frecuencias de transición”, explicó Ustinov. “Se derivó y se verificó experimentalmente que múltiples cúbits obtienen una interacción efectiva mediada por fotones de rango infinito, que se puede sintonizar con la distancia entre cúbits”.

Este logro no solo amplía las capacidades de los superconductores, sino que, soluciona algunas de las limitaciones previas en el desarrollo de tecnología cuántica. Puede que estos experimentos conduzcan a un metamaterial cuántico con aplicaciones a gran escala.

Referencia:

Waveguide bandgap engineering with an array of superconducting qubits. https://www.nature.com/articles/s41535-021-00310-z

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