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May 27, 2023

El efecto óptico lleva la computación cuántica con qubits atómicos a una nueva dimensión

1 de junio de 2023 Este artículo

1 de junio de 2023

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por la Universidad Técnica de Darmstadt

Los físicos de Darmstadt han desarrollado una técnica que podría superar uno de los mayores obstáculos en la construcción de una computadora cuántica relevante en la práctica. Hacen uso de un efecto óptico aquí descubierto por el pionero de la fotografía británica William Talbot en 1836. El equipo dirigido por Malte Schlosser y Gerhard Birkl del Instituto de Física Aplicada de la Technische Universität Darmstadt presenta este éxito en la revista Physical Review Letters.

Las computadoras cuánticas pueden resolver ciertas tareas mucho más rápido incluso que las supercomputadoras. Sin embargo, hasta ahora solo ha habido prototipos con un máximo de unos pocos cientos de "qubits". Estas son las unidades básicas de información en la computación cuántica, correspondientes a "bits" en la computación clásica. Sin embargo, a diferencia de los bits, los qubits pueden procesar los dos valores "0" o "1" simultáneamente en lugar de uno tras otro, lo que permite que las computadoras cuánticas realicen una gran cantidad de cálculos en paralelo.

Se necesitarían computadoras cuánticas con muchos miles, si no varios millones, de qubits para aplicaciones prácticas, como la optimización de flujos de tráfico complejos. Sin embargo, agregar qubits consume recursos, como la salida láser, lo que hasta ahora ha obstaculizado el desarrollo de las computadoras cuánticas. El equipo de Darmstadt ahora ha demostrado cómo se puede usar el efecto Talbot óptico para aumentar la cantidad de qubits de varios cientos a más de diez mil sin requerir proporcionalmente recursos adicionales.

Los qubits se pueden realizar de diferentes maneras. Los gigantes tecnológicos como Google, por ejemplo, utilizan elementos de circuitos superconductores fabricados artificialmente. Sin embargo, los átomos individuales también son excelentes para este propósito. Para controlarlos de manera específica, los qubits de un solo átomo deben mantenerse en una red regular, similar a un tablero de ajedrez.

Los físicos suelen utilizar para ello una "red óptica" de puntos de luz dispuestos regularmente, que se forma cuando los rayos láser se cruzan entre sí. "Si desea aumentar la cantidad de qubits en un cierto factor, también debe aumentar la salida del láser de manera correspondiente", explica Birkl.

Su equipo produce la red óptica de forma innovadora. Hacen brillar un láser sobre un elemento de vidrio del tamaño de una uña, en el que se disponen diminutas lentes ópticas de forma similar a un tablero de ajedrez. Cada microlente concentra una pequeña parte del rayo láser, creando así un plano de puntos focales que pueden contener átomos.

Ahora, en la parte superior se está produciendo el efecto Talbot, que hasta ahora se ha considerado una molestia: la capa de puntos focales se repite varias veces a intervalos iguales; se crean lo que se conoce como "autoimágenes". Por lo tanto, una red óptica en 2D se convierte en una en 3D con muchas veces los puntos de luz. "Obtenemos eso gratis", dice Malte Schlosser, el autor principal del trabajo. Quiere decir que no se requiere ninguna salida de láser adicional para esto.

La alta precisión de fabricación de las microlentes da lugar a autoimágenes dispuestas con mucha regularidad, que pueden utilizarse para qubits. De hecho, los investigadores pudieron cargar las capas adicionales con átomos individuales. Con la salida láser dada, se crearon 16 de esas capas libres, lo que potencialmente permitió más de 10,000 qubits. Según Schlosser, los láseres convencionales se pueden utilizar para cuadruplicar la potencia en el futuro.

"El campo de las microlentes también se puede optimizar aún más", explica Birkl, por ejemplo, creando más puntos focales con lentes más pequeñas. Por lo tanto, 100,000 qubits y más serán posibles en el futuro previsible. La escalabilidad en la cantidad de qubits mostrada por el equipo representa un paso importante hacia el desarrollo de computadoras cuánticas factibles.

Schlosser enfatiza que la tecnología no se limita a las computadoras cuánticas. "Nuestra plataforma también podría ser potencialmente aplicable a relojes atómicos ópticos de alta precisión". El equipo de Darmstadt planea seguir desarrollando su nueva plataforma qubit y contempla una variedad de posibles aplicaciones en el campo de las tecnologías cuánticas.

Más información: Malte Schlosser et al, Arquitectura multicapa escalable de matrices Qubit de un solo átomo ensambladas en una red tridimensional de pinzas Talbot, Cartas de revisión física (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.180601

Información del diario:Cartas de revisión física

Proporcionado por la Universidad Técnica de Darmstadt