Desarrollan un dispositivo que puede entrelazar múltiples procesadores cuánticos
La computación cuántica promete resolver problemas complejos que serían imposibles de abordar con los supercomputadores clásicos más potentes. Sin embargo, para alcanzar su máximo potencial, estos sistemas deben permitir la comunicación eficiente entre múltiples procesadores cuánticos, de manera similar a cómo los componentes de una computadora clásica, como la memoria y la CPU, interactúan en una placa base.
Actualmente, las arquitecturas utilizadas para interconectar procesadores cuánticos superconductores funcionan con un modelo de conectividad “punto a punto”, lo que implica que la información debe pasar por varios nodos intermedios, acumulando errores en cada transferencia. Para superar esta limitación, un equipo de investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) ha desarrollado un nuevo dispositivo de interconexión cuántica que permite una comunicación directa y escalable entre todos los procesadores de una red.
Los investigadores del MIT crearon una red con dos procesadores cuánticos y utilizaron su novedoso dispositivo para enviar fotones de microondas en una dirección definida por el usuario. Los fotones, partículas de luz capaces de transportar información cuántica, viajaron de un procesador a otro de manera controlada, lo que demostró la viabilidad del sistema.
El núcleo del dispositivo es un cable superconductor o guía de ondas que transporta los fotones y puede extenderse a cualquier distancia requerida. Esta estructura permite acoplar un número ilimitado de módulos, facilitando la transmisión eficiente de información en una red escalable de procesadores cuánticos.
Entrelazamiento remoto: un paso clave hacia la computación cuántica distribuida
Uno de los logros más significativos del equipo fue la demostración del entrelazamiento remoto, un fenómeno cuántico en el que dos procesadores quedan correlacionados sin estar físicamente conectados. Este avance es fundamental para la creación de redes distribuidas de computación cuántica de gran escala.
"En el futuro, una computadora cuántica probablemente necesitará interconexiones locales y no locales. Las interconexiones locales son naturales en matrices de cúbits superconductores. La nuestra permite más conexiones no locales. Podemos enviar fotones a diferentes frecuencias, tiempos y en dos direcciones de propagación, lo que proporciona a nuestra red mayor flexibilidad y rendimiento", explicó Aziza Almanakly, estudiante de posgrado en el grupo de Ingeniería de Sistemas Cuánticos del Laboratorio de Investigación en Electrónica (RLE) del MIT y autora principal del estudio, publicado en Nature Physics.
El equipo del MIT ya había desarrollado previamente un módulo cuántico capaz de enviar fotones de microondas en ambas direcciones a través de una guía de ondas. En este nuevo trabajo, dieron un paso más allá al conectar dos módulos y diseñar un sistema que permite emitir fotones en una dirección específica y absorberlos en el otro extremo.
Cada módulo consta de cuatro cúbits que funcionan como interfaz entre la guía de ondas y los procesadores cuánticos más grandes. Los cúbits acoplados a la guía emiten y absorben los fotones, los cuales son posteriormente transferidos a los cúbits de datos cercanos.
El proceso de transmisión se controla mediante una serie de pulsos de microondas, que agregan energía a un cúbit y provocan la emisión de un fotón. Al manipular cuidadosamente la fase de estos pulsos, los investigadores lograron que el fotón viajara en una dirección específica y fuera absorbido por otro módulo a cualquier distancia arbitraria.
Para lograr el entrelazamiento remoto, los investigadores diseñaron una técnica innovadora en la que detienen los pulsos de emisión de fotones a la mitad de su duración. En términos cuánticos, esto significa que el fotón se encuentra simultáneamente retenido y emitido, logrando que una parte del fotón permanezca en el emisor mientras la otra es absorbida por el receptor.
Este proceso genera una conexión cuántica entre los módulos, permitiendo que los procesadores compartan información sin estar directamente conectados.Sin embargo, la absorción eficiente del fotón sigue siendo un reto debido a las distorsiones provocadas por juntas, conexiones y enlaces en la guía de ondas.
Para maximizar la absorción del fotón y aumentar la fidelidad del entrelazamiento, el equipo del MIT utilizó un algoritmo de aprendizaje por refuerzo, que permitió ajustar los pulsos de emisión y predistorsionar el fotón. Esta optimización aumentó la eficiencia de absorción a más del 60%, un umbral clave para demostrar la existencia del entrelazamiento cuántico.
"El desafío de este trabajo fue dar forma al fotón para maximizar su absorción", señaló Almanakly.
Hacia una red de computación cuántica interconectada
Gracias a este avance, los investigadores han sentado las bases para la creación de una red de múltiples procesadores cuánticos interconectados con conectividad total (el all-to-all connectivity). Esto significa que cualquier módulo dentro de la red puede establecer entrelazamiento remoto con cualquier otro, sin necesidad de pasar por múltiples nodos intermedios.
En el futuro, los investigadores planean mejorar la eficiencia de absorción mediante la optimización de la trayectoria de propagación de los fotones. Además, buscan acelerar el protocolo para reducir la acumulación de errores y expandir la técnica a otros tipos de computadoras cuánticas y sistemas de internet cuántico de mayor escala. @mundiario
