Nuevo avance en computación cuántica: fabrican circuitos de fotones en una lámina ultradelgada

En concreto, el efecto Hong-Oh-Mandel (HOM ), que hasta ahora tenía que implementarse mediante una compleja combinación de divisores de haces y espejos, se reprodujo en una sola metasuperficie. El efecto HOM se refiere al fenómeno por el cual cuando dos fotones se inyectan simultáneamente en un divisor de haz, ambos fotones salen siempre por la misma salida simultáneamente debido a la interferencia cuántica. En el presente estudio, este efecto HOM puede reproducirse en situaciones complejas en las que se utilizan más fotones y salidas.

Además, las metasuperficies también pueden crear estados de entrelazamiento cuántico, en los que los fotones se entrelazan entre sí de formas complejas. El entrelazamiento cuántico, uno de los fundamentos del procesamiento cuántico de la información, se refiere a un fenómeno en el que varios fotones pasan simultáneamente por diferentes vías, pero sus estados están estrechamente relacionados entre sí. Para crear tales estados, los métodos convencionales requieren muchos divisores de haz y espejos.

Utilizando metasuperficies, los investigadores han logrado ahora complejas operaciones cuánticas denominadas ‘interferencia multifotónica’ y ‘transformaciones de Adamar’. La interferencia multifotón es una interferencia cuántica que se produce cuando los fotones se bifurcan en múltiples caminos simultáneamente y acaban superponiéndose. La transformación de Adamar es la operación de repartir uniformemente la probabilidad de existencia de un fotón por múltiples caminos y es el punto de partida del procesamiento paralelo en computación cuántica. La capacidad de realizar estas operaciones sin circuitos ópticos físicos a gran escala es la principal ventaja de las metasuperficies.

Laboratorio tallado en una placa

La importancia de este enfoque va más allá de la mera miniaturización. Los dispositivos ópticos convencionales sufren el problema de que la más mínima vibración o cambio de temperatura provoca una pérdida de alineación y precisión. Las metasuperficies son resistentes a esos cambios ambientales porque la propia estructura es ultrafina y está integrada. Además, la pérdida de luz es mínima y casi no es necesaria una alineación precisa, lo que supone una gran ventaja en términos de costos de fabricación.

Estas características conducen directamente a aplicaciones potenciales en redes y sensores cuánticos. Por ejemplo, pueden ponerse en práctica transpondedores de comunicación cuántica compactos que pueden funcionar a temperatura ambiente y dispositivos experimentales cuánticos lab-on-a-chip que pueden completarse en un escritorio. La realización de dispositivos cuánticos que no requieran grandes laboratorios ópticos sería un paso importante para acercar la tecnología cuántica a la aplicación social.

Sin embargo, sigue habiendo retos. Para aplicar la tecnología a la computación cuántica a gran escala y a las redes que manejan más fotones simultáneamente, es inevitable tomar medidas contra la decoherencia, la ruptura de los estados cuánticos por ligeras fluctuaciones del mundo exterior.

No obstante, un futuro en el que los grandes dispositivos ópticos que solían dominar los escritorios puedan ser sustituidos por placas lo suficientemente pequeñas como para caber en un bolsillo se está haciendo realidad. La óptica cuántica puede estar avanzando con paso firme de la teoría al uso práctico.

(Editado por Daisuke Takimoto)

Artículo publicado originalmente en WIRED Japón. Adaptado por Mauricio Serfatty Godoy.