Un diminuto chip podría revolucionar la computación cuántica en el futuro

Investigadores de la Universidad de Colorado en Boulder lograron un avance significativo en la computación cuántica al desarrollar un dispositivo que es casi 100 veces más delgado que el ancho de un cabello humano. Este trabajo, publicado en la revista Nature Communications, presentó un nuevo tipo de modulador de fase óptico diseñado para controlar con precisión la luz láser. Esta capacidad resulta esencial para operar futuras computadoras cuánticas que podrían depender de miles o incluso millones de qubits, las unidades fundamentales utilizadas para almacenar y procesar información cuántica.

Además de su tamaño, la forma en que se fabricó el dispositivo es igualmente importante. En lugar de depender de equipos de laboratorio personalizados, los investigadores utilizaron métodos de fabricación escalables similares a los que producen los procesadores que se encuentran en computadoras, teléfonos inteligentes, vehículos y electrodomésticos. Este enfoque hace que el dispositivo sea mucho más práctico para producir en grandes cantidades.

Un dispositivo pequeño diseñado para la escala del mundo real

El estudio fue liderado por Jake Freedman, un estudiante de doctorado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica, Computación y Energía, junto a Matt Eichenfield, profesor y titular de la Cátedra Karl Gustafson en Ingeniería Cuántica. El equipo también colaboró con científicos de los Laboratorios Nacionales Sandia, incluyendo al coautor principal Nils Otterstrom. Juntos, crearon un dispositivo que combina un tamaño reducido, alto rendimiento y bajo costo, haciéndolo adecuado para la producción masiva.

En el corazón de la tecnología se encuentran vibraciones de frecuencia de microondas que oscilan miles de millones de veces por segundo. Estas vibraciones permiten que el chip manipule la luz láser con una precisión notable.

Al controlar directamente la fase de un haz láser, el dispositivo puede generar nuevas frecuencias láser que son tanto estables como eficientes. Este nivel de control es un requisito clave no solo para la computación cuántica, sino también para campos emergentes como el sensor cuántico y la red cuántica.

Por qué las computadoras cuánticas necesitan láseres ultra precisos

Algunos de los diseños más prometedores de computación cuántica utilizan iones atrapados o átomos neutros atrapados para almacenar información. En estos sistemas, cada átomo actúa como un qubit. Los investigadores interactúan con estos átomos dirigiendo haces láser cuidadosamente ajustados hacia ellos, dando instrucciones que permiten que se realicen cálculos. Para que esto funcione, cada láser debe ajustarse con una precisión extrema, a veces dentro de milésimas de un por ciento.

"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", afirmó Freedman. "Pero para hacerlo a gran escala, se necesita tecnología que pueda generar esas nuevas frecuencias de manera eficiente".

Actualmente, estos cambios de frecuencia precisos se producen utilizando grandes dispositivos de mesa que requieren una considerable potencia de microondas. Aunque son efectivos para pequeños experimentos, estos sistemas son imprácticos para el gran número de canales ópticos necesarios en futuras computadoras cuánticas.

"No se va a construir una computadora cuántica con 100,000 moduladores electroópticos voluminosos en un almacén lleno de mesas ópticas", dijo Eichenfield. "Se necesitan formas mucho más escalables de fabricarlos que no tengan que ser ensamblados a mano y con largos caminos ópticos. Si además se pueden hacer todos en unos pocos microchips pequeños y producir 100 veces menos calor, es mucho más probable que funcione".

Menor consumo de energía, menos calor, más qubits

El nuevo dispositivo genera cambios de frecuencia láser a través de una modulación de fase eficiente mientras utiliza aproximadamente 80 veces menos potencia de microondas que muchos moduladores comerciales existentes. Un menor consumo de energía significa menos calor, lo que permite que más canales se empaquen estrechamente, incluso en un solo chip.

En conjunto, estas ventajas transforman el chip en un sistema escalable capaz de coordinar las interacciones precisas que los átomos necesitan para realizar cálculos cuánticos.

Fabricado con la misma tecnología que los microchips modernos

Uno de los logros más importantes del proyecto es que el dispositivo fue fabricado completamente en una instalación de fabricación, o fab, el mismo tipo de entorno utilizado para producir microelectrónica avanzada.

"La fabricación CMOS es la tecnología más escalable que los humanos han inventado", dijo Eichenfield. "Cada chip microelectrónico en cada teléfono celular o computadora tiene miles de millones de transistores esencialmente idénticos. Por lo tanto, al utilizar la fabricación CMOS, en el futuro, podremos producir miles o incluso millones de versiones idénticas de nuestros dispositivos fotónicos, que es exactamente lo que la computación cuántica necesitará".

Según Otterstorm, el equipo tomó tecnologías de moduladores que alguna vez fueron voluminosos, costosos y que consumían mucha energía y las rediseñó para que sean más pequeñas, eficientes y fáciles de integrar.

"Estamos ayudando a impulsar la óptica hacia su propia 'revolución de transistores', alejándonos del equivalente óptico de los tubos de vacío y hacia tecnologías fotónicas integradas escalables", comentó Otterstorm.

Hacia chips fotónicos cuánticos completamente integrados

Los investigadores ahora están trabajando en circuitos fotónicos completamente integrados que combinan generación de frecuencia, filtrado y modelado de pulsos en un solo chip. Este esfuerzo acerca al campo a una plataforma fotónica cuántica completa y operativa.

El equipo planea asociarse con empresas de computación cuántica para probar estos chips dentro de computadoras cuánticas avanzadas de iones atrapados y átomos neutros atrapados.

"Este dispositivo es una de las piezas finales del rompecabezas", dijo Freedman. "Nos estamos acercando a una plataforma fotónica verdaderamente escalable capaz de controlar un número muy grande de qubits".

El proyecto recibió apoyo del Departamento de Energía de EE. UU. a través del programa Quantum Systems Accelerator, un Centro de Investigación Científica de la Iniciativa Nacional Cuántica.

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