Un dispositivo permite la comunicación directa entre varios procesadores cuánticos

Investigadores del MIT han desarrollado una «interconexión» de fotones que puede facilitar el entrelazamiento a distancia, un paso clave hacia un ordenador cuántico práctico.

Por Adam Zewe / MIT News

Los investigadores han desarrollado una nueva interconexión que puede soportar una comunicación escalable y total entre una serie de procesadores cuánticos superconductores, permitiendo que un fotón portador de información viaje entre los procesadores en una dirección definida por el usuario. El concepto se ilustra aquí. Crédito: Ella Maru Studio

Los ordenadores cuánticos tienen el potencial de resolver problemas complejos que serían imposibles de resolver para el superordenador clásico más potente.

Al igual que un ordenador clásico tiene componentes separados, aunque interconectados, que deben trabajar juntos, como un chip de memoria y una CPU en una placa base, un ordenador cuántico necesitará comunicar información cuántica entre varios procesadores.

Las arquitecturas actuales utilizadas para interconectar procesadores cuánticos superconductores son de conectividad «punto a punto», lo que significa que requieren una serie de transferencias entre nodos de la red, con tasas de error cada vez mayores.

Una comunicación «de todos a todos»

Para superar estas dificultades, los investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) han desarrollado un nuevo dispositivo de interconexión que permite una comunicación escalable «de todos a todos», de modo que todos los procesadores cuánticos superconductores de una red puedan comunicarse directamente entre sí.

Crearon una red de dos procesadores cuánticos y utilizaron su interconexión para enviar fotones de microondas de un lado a otro a demanda en una dirección definida por el usuario. Los fotones son partículas de luz que pueden transportar información cuántica.

El dispositivo incluye un cable superconductor —o guía de ondas— que transporta fotones entre procesadores y puede dirigirse tan lejos como sea necesario. Los investigadores pueden acoplar a él cualquier número de módulos, transmitiendo información de forma eficiente entre una red escalable de procesadores.

El paso del entrelazamiento remoto

Utilizaron esta interconexión para demostrar el entrelazamiento remoto, un tipo de correlación entre procesadores cuánticos que no están conectados físicamente. El entrelazamiento remoto es un paso clave hacia el desarrollo de una potente red distribuida de muchos procesadores cuánticos.

«En el futuro, un ordenador cuántico necesitará probablemente interconexiones locales y no locales. Las primeras son naturales en las matrices de qubits superconductores — explica Aziza Almanakly, estudiante de postgrado de Ingeniería Eléctrica e Informática en el grupo de Ingeniería de Sistemas Cuánticos del Laboratorio de Investigación Electrónica (RLE) y autora principal de un artículo sobre la interconexión. Y añade—: El nuestro permite más conexiones no locales. Podemos enviar fotones a diferentes frecuencias, tiempos y en dos direcciones de propagación, lo que da a nuestra red más flexibilidad y rendimiento».

Entre sus coautores figuran Beatriz Yankelevich, estudiante de posgrado del grupo EQuS; el autor principal William D. Oliver, catedrático de Ingeniería Eléctrica e Informática (EECS) y profesor de Física, director del Centro de Ingeniería Cuántica y director asociado del RLE; y otras personas del MIT y del Laboratorio Lincoln. La investigación aparece publicada en la revista Nature Physics.

Módulos con cuatro qubits

Los investigadores desarrollaron anteriormente un módulo de computación cuántica que les permitía enviar fotones de microondas portadores de información en cualquier dirección a lo largo de una guía de ondas.

En el nuevo trabajo, han dado un paso más allá conectando dos módulos a una guía de ondas para emitir fotones en la dirección deseada y absorberlos en el otro extremo.

Cada módulo está compuesto por cuatro qubits, que sirven de interfaz entre la guía de ondas que transporta los fotones y los procesadores cuánticos de mayor tamaño.

Los qubits acoplados a la guía de ondas emiten y absorben fotones, que se transfieren a los qubits de datos cercanos.

Lanzamiento y captación de fotones

Los investigadores utilizan una serie de pulsos de microondas para añadir energía a un qubit, que a su vez emite un fotón. Controlando cuidadosamente la fase de esos pulsos se consigue un efecto de interferencia cuántica que les permite emitir el fotón en cualquier dirección a lo largo de la guía de ondas.

Al invertir los pulsos en el tiempo, un qubit situado en otro módulo a una distancia arbitraria puede absorber el fotón.

«Lanzar y atrapar fotones nos permite crear una interconexión cuántica entre procesadores cuánticos no locales, y con las interconexiones cuánticas viene el entrelazamiento remoto», explica Oliver.

«Generar entrelazamiento remoto es un paso crucial para construir un procesador cuántico a gran escala a partir de módulos más pequeños —explica Yankelevich. Y añade—: Incluso después de que el fotón desaparezca, tenemos una correlación entre dos qubits distantes o no locales. El entrelazamiento remoto nos permite aprovechar estas correlaciones y realizar operaciones paralelas entre dos qubits, aunque ya no estén conectados y estén muy alejados».

El fotón se retiene y se emite a la vez

Sin embargo, transferir un fotón entre dos módulos no basta para generar entrelazamiento remoto. Los investigadores tienen que preparar los qubits y el fotón para que los módulos compartan el fotón al final del protocolo.

El equipo lo consiguió deteniendo los pulsos de emisión de fotones a mitad de su duración. En términos de mecánica cuántica, el fotón se retiene y se emite a la vez. Clásicamente, se puede pensar que medio fotón se retiene y medio se emite.

Una vez que el módulo receptor absorbe ese «medio fotón», los dos módulos quedan entrelazados.

Pero a medida que el fotón viaja, las juntas, las uniones de cables y las conexiones en la guía de ondas distorsionan el fotón y limitan la eficacia de absorción del módulo receptor.

Imagen conceptual de una red futurista de computadoras cuánticas: dos procesadores cuánticos superconductores conectados por una guía de onda superconductora brillante que emite y absorbe fotones de microondas. Imagen generada con DALL-E

Máxima eficacia de absorción

Para generar el entrelazamiento remoto con la suficiente fidelidad o precisión, los investigadores necesitaban maximizar la frecuencia de absorción del fotón en el otro extremo.

«El reto de este trabajo consistía en dar la forma adecuada al fotón para maximizar la eficacia de absorción», explica Almanakly.

Utilizaron un algoritmo de aprendizaje por refuerzo para predistorsionar el fotón. El algoritmo optimizó los pulsos del protocolo para dar forma al fotón y conseguir la máxima eficacia de absorción.

Cuando aplicaron este protocolo de absorción optimizado, pudieron demostrar una eficiencia de absorción del fotón superior al 60%.

Módulos tridimensionales

Esta eficiencia de absorción es lo suficientemente alta como para demostrar que el estado resultante al final del protocolo está entrelazado, un hito importante en esta demostración.

«Podemos utilizar esta arquitectura para crear una red con conectividad de todo a todo. Esto significa que podemos tener varios módulos, todos a lo largo del mismo bus, y podemos crear entrelazamiento remoto entre cualquier par que elijamos», afirma Yankelevich.

En el futuro, podrían mejorar la eficiencia de absorción optimizando el camino de propagación de los fotones, quizá integrando módulos en 3D en lugar de tener un cable superconductor que conecte paquetes de microondas separados. También podrían hacer el protocolo más rápido para que haya menos posibilidades de que se acumulen errores.

«En principio, nuestro protocolo de generación remota de entrelazamiento también puede ampliarse a otros tipos de ordenadores cuánticos y a sistemas de internet cuántica más grandes», concluye Almanakly. ▪️