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Hacia una Internet cuántica
La promesa de las computadoras cuánticas es tentadoramente grande: resolución de problemas casi instantánea y transmisión de datos perfectamente segura. Sin embargo, en su mayor parte, las demostraciones a pequeña escala de la computación cuántica permanecen aisladas en laboratorios de todo el mundo. Ahora, Prem Kumar , profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación en la Universidad Northwestern, ha dado un paso para hacer que la computación cuántica sea más práctica. Kumar y su equipo han demostrado que pueden construir una puerta lógica cuántica, un componente fundamental de una computadora cuántica, dentro de una fibra óptica. La puerta podría ser parte de un circuito que transmite información de forma segura, a través de cientos de kilómetros de fibra, de una computadora cuántica a otra. También podría usarse por sí solo para encontrar soluciones a problemas matemáticos complicados.
Web enredada: Los componentes ópticos de esta mesa de laboratorio, como espejos y filtros, permiten a los investigadores del laboratorio de Prem Kumar en la Universidad Northwestern dirigir y manipular la luz. En el trabajo más reciente de Kumar, ha creado una puerta lógica cuántica dentro de una fibra óptica; tales puertas podrían eventualmente habilitar redes de computadoras cuánticas.
Una puerta lógica es un dispositivo que recibe una entrada, realiza una operación lógica en ella y produce una salida. El tipo de puerta que creó Kumar, llamada puerta NOT controlada, tiene un análogo de computación clásica que se voltea un poco registrando un 1 a 0, y viceversa. Las puertas de lógica cuántica como la de Kumar se han construido antes, pero funcionaban con rayos láser que atravesaban el aire, no la fibra. La nueva puerta sienta las bases para experimentos que demuestran las capacidades de las computadoras cuánticas en fibra, dice Kumar. Lo emocionante aquí es que una aplicación está al alcance, dice. Durante el próximo año, Kumar y su equipo planean probar la puerta en una aplicación específica: realizar una subasta compleja a través de una red cuántica segura.
Investigadores de IBM, MIT y muchas otras corporaciones y universidades han estado trabajando en computadoras cuánticas desde que se propusieron por primera vez en la década de 1980. Una computadora cuántica es un dispositivo que procesa bits de información explotando las extrañas propiedades mecánicas cuánticas de partículas como electrones y fotones. Una computadora cuántica es teóricamente capaz de procesar exponencialmente más información que las computadoras clásicas. La unidad de información en una computadora clásica es el bit, que representa un 1 o un 0; pero en una computadora cuántica, es el qubit, que puede representar tanto un 1 como un 0 al mismo tiempo. Dado que los qubits calculan con múltiples valores a la vez, la potencia de procesamiento de una computadora cuántica se duplica con cada qubit adicional. Esta característica permitiría a una computadora cuántica con solo un par de cientos de qubits superar significativamente a las mejores supercomputadoras actuales.
El grupo de Kumar hace qubits a partir de fotones entrelazados. Eso significa que sus características físicas, como la polarización, están vinculadas de tal manera que si un fotón asume un estado físico particular, el fotón coincidente asume instantáneamente un estado correspondiente. Hace unos años, Kumar demostró que la fibra óptica en sí misma podía hacer que los fotones se enredaran y que permanecerían entrelazados a una distancia de 100 kilómetros. Su trabajo reciente, descrito en Cartas de revisión física , va un paso más allá, creando una puerta lógica que entrelaza pares de fotones.
Para utilizar esta puerta, Kumar necesita fotones que sean idénticos en todos los sentidos excepto en la polarización o la orientación de sus campos electromagnéticos. Estos fotones idénticos se envían a través de fibra óptica a la propia puerta, un pequeño laberinto de dispositivos que enrutan fotones en diferentes direcciones según sobre su polarización. Pasar por el laberinto provoca que ciertos pares de fotones se enreden. Pero no todos los fotones atraviesan la puerta; sólo cuando los fotones alcanzan los detectores en el otro extremo, y los investigadores pueden medir si están entrelazados o no, saben que la puerta tuvo éxito.
La única forma de saber si la puerta funcionó o no es esperar hasta que se le haya disparado una colección de fotones, dice Carl Williams , coordinador de la programa de información cuántica en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología. La mayoría de las veces la puerta falla, dice. Es una cosa probabilística. Pero cuando la puerta falla, los investigadores simplemente ignoran los fotones desenredados.
Lo bueno de este trabajo, dice Williams, es que está hecho en fibra. Este es un gran problema porque podría conducir a redes distribuidas. … La aplicación obvia es para la comunicación cuántica a larga distancia entre dos computadoras cuánticas más pequeñas. Uno de los elementos cruciales en una red óptica convencional es un dispositivo llamado repetidor, que amplifica las señales que se han degradado con la distancia. Williams dice que una puerta lógica cuántica, como la que construyó Kumar, podría usarse en un circuito que amplifica una señal sin perder el entrelazamiento de los fotones.
Este es un paso importante hacia la construcción de una Internet cuántica, dice Seth Lloyd , profesor de ingeniería mecánica en el MIT e investigador líder en computación cuántica. Tal red tendría poderes que la Internet ordinaria no tiene, dice. En particular, la comunicación a través de Internet cuántica sería automáticamente segura.
Lloyd señala que el artículo de Kumar ilustra cómo se puede realizar una operación de lógica cuántica simple utilizando fotones individuales. El artículo actual representa un avance significativo en la tecnología de la computación cuántica y las redes cuánticas, dice.