Construyen una compuerta tipo transistor para el procesamiento de información cuántica, con qudits (sí, con d, no con b)

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El procesamiento de información cuántica promete ser mucho más rápido y más seguro que lo que pueden lograr las supercomputadoras de hoy, pero aún no existe porque sus bloques de construcción, qubits, son notoriamente inestables.

Los investigadores de la Universidad de Purdue están entre los primeros en construir una compuerta (lo que podría ser una versión cuántica de un transistor, usado en las computadoras de hoy para procesar información) con qudits.

Mientras que los qubits solo pueden existir en superposiciones de los estados 0 y 1, los qudits existen en múltiples estados, como 0 y 1 y 2.

Más estados significan que se pueden codificar y procesar más datos.

La puerta no solo sería inherentemente más eficiente que las puertas qubit, sino también más estable porque los investigadores agruparon los qudits en fotones, partículas de luz que no son fácilmente perturbadas por su entorno.

La compuerta también crea uno de los estados entrelazados más grandes de partículas cuánticas hasta la fecha, en este caso, los fotones.

El entrelazamiento es un fenómeno cuántico que permite que las mediciones en una partícula afecten automáticamente las mediciones en otra partícula, lo que brinda la capacidad de hacer que la comunicación entre partes sea inquebrantable o de teletransportar información cuántica de un punto a otro, por ejemplo.

Cuanto más entrelazamiento haya en el llamado espacio de Hilbert, el ámbito en el que puede tener lugar el procesamiento de información cuántica, mejor.

Los enfoques fotónicos anteriores fueron capaces de alcanzar 18 qubits codificados en seis fotones entrelazados en el espacio de Hilbert.

Los investigadores de Purdue maximizaron el entrelazamiento con una compuerta usando cuatro qudits, el equivalente a 20 qubits, codificados en solo dos fotones.

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En comunicación cuántica, menos es más.

“Los fotones son caros en el sentido cuántico porque son difíciles de generar y controlar, por lo que es ideal incluir tanta información como sea posible en cada fotón”, dijo Poolad Imany, investigadora postdoctoral en la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática de Purdue.

El equipo logró más entrelazamientos con menos fotones al codificar un qudit en el dominio del tiempo y el otro en el dominio de la frecuencia de cada uno de los dos fotones.

Construyeron una compuerta utilizando los dos qudits codificados en cada fotón, para un total de cuatro qudits en 32 dimensiones, o posibilidades, tanto de tiempo como de frecuencia. Cuantas más dimensiones, más entrelazamiento.

Comenzando desde dos fotones entrelazados en el dominio de la frecuencia y luego operando la compuerta para entrelazar los dominios de tiempo y frecuencia de cada fotón, se generan cuatro qudits completamente entrelazados, que ocupan un espacio de Hilbert de 1,048,576 dimensiones, o 32 a la cuarta potencia.

Por lo general, las compuertas construidas en plataformas fotónicas para manipular información cuántica codificada en fotones separados funcionan solo parte del tiempo porque, naturalmente, los fotones no interactúan muy bien entre sí, lo que hace extremadamente difícil manipular el estado de un fotón en función del estado de otro.

Al codificar la información cuántica en los dominios de tiempo y frecuencia de los fotones, los investigadores de Purdue hicieron que el funcionamiento de la compuerta cuántica fuera determinístico en lugar de probabilístico.

El equipo implementó la compuerta con un conjunto de equipos estándar que se utilizan diariamente en la industria de la comunicación óptica.

“Esta compuerta nos permite manipular la información de una manera predecible y determinista, lo que significa que podría realizar las operaciones necesarias para ciertas tareas de procesamiento de información cuántica”, dijo Andrew Weiner, Profesor Distinguido de Ingeniería Eléctrica e Informática de Scifres de Purdue, cuyo laboratorio se especializa en óptica ultrarrápida.

A continuación, el equipo desea utilizar la compuerta en tareas de comunicaciones cuánticas, como la teleportación cuántica de alta dimensión, así como para realizar algoritmos cuánticos en aplicaciones como el aprendizaje automático cuántico o simular moléculas.

Fuente: Noticias de la Ciencia