Basándose en el conocido silicio, el elemento esencial de los circuitos electrónicos, investigadores europeos y chinos han creado un dispositivo fotónico cuántico a gran escala que puede entrelazar fotones con niveles increíbles de precisión. Hasta ahora este tipo de tecnología cuántica controlable solo se había conseguido a pequeña escala, por lo que este avance abre el camino a la fabricación masiva de componentes para los futuros ordenadores ópticos cuánticos.
La fotónica cuántica integrada permite el guiado y control de partículas de luz individuales con una muy alta estabilidad y precisión, sin embargo, hasta la fecha se ha limitado a demostraciones a pequeña escala en las que solo un número pequeño de componentes están integrados en un chip. Debido a esto, los científicos tratan de mejorar los circuitos fotónicos integrados para así aumentar la complejidad y el poder computacional de tecnologías de procesamiento de información cuántica, los cuales facilitarán la creación de muchas aplicaciones revolucionarias.
Ahora un equipo internacional de investigadores dirigido por científicos del Quantum Engineering Technology Labs de la Universidad de Bristol (Reino Unido) ha logrado desarrollar el primer circuito fotónico cuántico integrado a gran escala, el cual puede generar, controlar y analizar el entrelazamiento cuántico a grandes escalas con una precisión y generalidad sin precedentes.
El chip cuántico se desarrolló utilizando una tecnología fotónica de silicio escalable, similar a los circuitos electrónicos actuales, que proporcionaría un camino para fabricar componentes de forma masiva para la realización de un ordenador óptico cuántico. El estudio, en colaboración con la Universidad de Pekín, la Universidad Técnica de Dinamarca (DTU), el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ), la Academia Polaca de Ciencias (PAS) y la Universidad de Copenhague, ha sido publicado recientemente en la revista Science.
El poder controlar grandes dispositivos cuánticos, así como complejos sistemas de entrelazamiento multidimensional de forma coherente y precisa ha sido un enorme desafío debido a las complejas interacciones entre las partículas en estos grandes sistemas cuánticos. Recientemente, se ha logrado un progreso significativo hacia sistemas cuánticos a gran escala en una variedad de plataformas que incluyen fotones, superconductores e iones, entre otros.
En particular, la fotónica permite que un sistema codifique y procese de forma natural los qubits o estados multidimensionales dentro de los diferentes grados de libertad de un fotón.
En este estudio, se demuestra un sistema de entrelazamiento bipartito de ubicación codificado multidimensional programable con una dimensión de hasta 15 × 15, donde cada fotón existe sobre 15 caminos ópticos al mismo tiempo y los dos fotones se entrelazan allí.
Un solo chip de 550 componentes ópticos
Este sistema de entrelazamiento multidimensional se logra ampliando los circuitos cuánticos fotónicos de silicio a través de una integración en un solo chip de 550 componentes ópticos que incluyen 16 fuentes idénticas de pares de fotones, 93 retardadoras de fase ópticas, 122 divisores de haz, entre otros elementos ópticos.
El autor principal, Jianwei Wang, comenta: "Es la madurez de la fotónica del silicio de hoy en día lo que nos permite ampliar la tecnología y alcanzar una integración a gran escala de los circuitos cuánticos. Esto es lo más hermoso de la fotónica cuántica sobre el silicio. Como resultado, nuestro chip cuántico nos permite, por primera vez, alcanzar una precisión y universalidad sin precedentes, capaz de controlar el entrelazamiento multidimensional, un factor clave en muchas tareas de informática cuántica de la computación y la comunicación".
Por su parte, Yunhong Ding de DTU añade: "Las nuevas tecnologías siempre permiten nuevas aplicaciones. Las capacidades de nuestra tecnología integrada nos permiten observar correlaciones cuánticas multidimensionales de alta calidad que incluyen violaciones de dirección generalizadas de Bell y EPR, y también implementar protocolos cuánticos multidimensionales inexplorados experimentalmente: la expansión de aleatoriedad multidimensional y autoevaluación de estado".
Los investigadores del ICFO, Alexia Salavrakos y el Prof ICREA Antonio Acín explican que distribuir y detectar correlaciones cuánticas de manera controlada "es un paso considerable para el diseño de tecnologías de comunicación cuántica más robustas y seguras".
A su vez, Jordi Tura de MPQ enfatiza que el grado de precisión y control logrado con esta tecnología "nos ha permitido probarla con algunos de los protocolos de información cuántica más estrictos, como la autoevaluación o la expansión aleatoria, que solo son posibles bajo condiciones experimentales muy idealizadas".
Finalmente, el profesor Mark Thompson, líder del equipo de Bristol, destaca que los circuitos fotónicos sobre silicio, el mismo material utilizado en nuestros circuitos electrónicos, "permiten el procesamiento de la información transportada por una sola partícula de luz. Estas tecnologías de fotónica cuántica de silicio nos están permitiendo ampliar los dispositivos y sistemas cuánticos a una velocidad increíblemente rápida, y en un futuro cercano se podrá alcanzar una integración de decenas de miles de elementos en un único chip el cual podrá dar paso a numerosas aplicaciones cuánticas".
Referencia bibliográfica:
J. Wang, S. Paesani, Y. Ding, R. Santagati, P. Skrzypczyk, A. Salavrakos, J. Tura, R. Augusiak, L. Mancinska, D. Bacco, D. Bonneau, J. W. Silverstone, Q Gong, A. Acin, K. Rottwitt, L. K. Oxenløwe, J. L. O’Brien, A. Laing, and M. G. Thompson. “Multidimensional quantum entanglement with large-scale integrated optics”, Science (2018).
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