Cúbits de color y compuertas cuánticas programables en chips fotónicos: un nuevo enfoque con modos temporales
Ana Luisa Aguayo Alvarado1, Francisco Domínguez Serna2, Wencel De La Cruz3 y Karina Garay Palmett1
1Departamento de Óptica, Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, B.C
2SECIHTI, Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, B.C.
3Centro de Nanociencias y Nanotecnología, Universidad Nacional Autónoma de México
¿Qué pasaría si pudiéramos controlar un solo fotón como si fuera un pequeño procesador de información cuántica?
El artículo recientemente publicado en JOSA B (https://doi.org/10.1364/JOSAB.542468) presenta una propuesta innovadora para implementar compuertas cuánticas —bloques fundamentales de la computación cuántica— usando modos temporales de la luz y procesos no lineales en chips fotónicos integrados. En lugar de usar la polarización, como es habitual, esta propuesta aprovecha otra propiedad del fotón: su estructura temporal, que permite codificar información en múltiples formas.
¿Qué es un cúbit de color?
Los cúbits de color son una forma especial de cúbit en la que la información está codificada en diferentes frecuencias (colores) de la luz. En este trabajo, los autores utilizan pares de modos temporales —estructuras precisas en el tiempo y el espectro de los fotones— para representar estos cúbits. La ventaja de usar modos temporales es que permiten una gran cantidad de combinaciones, lo que potencialmente aumenta la capacidad de procesar información.
¿Cómo funciona esta compuerta cuántica?
La clave está en el uso de un proceso no lineal llamado generación por diferencia de frecuencias (DFG, por sus siglas en inglés). Cuando un fotón y dos pulsos láser se encuentran en un chip fotónico, pueden interactuar y generar otro fotón con una frecuencia distinta. Esta conversión depende de cómo se ajusten las fases y potencias de los láseres. Eso permite controlar cómo se transforma el cúbit de entrada en el cúbit de salida.
De forma muy simplificada, es como tener una perilla que rota el estado del cúbit en una esfera (la famosa esfera de Bloch). Según cómo gires esa perilla —controlando la fase—, puedes aplicar distintas compuertas cuánticas como Pauli X, Y o Z.
¿Qué tiene de especial este diseño?
Una de las innovaciones del trabajo es que propone un diseño integrado: todos los componentes están contenidos en un chip de silicio y nitruro de silicio, lo que permite miniaturizar y escalar el sistema.
El dispositivo consiste en:
o Un microanillo resonador, donde se generan pares de fotones por un proceso llamado mezcla de cuatro ondas espontánea (SFWM, por sus siglas en inglés).
o Una guía de onda en espiral, donde se realiza la conversión por DFG.
o Moduladores de fase, que permiten controlar la transformación (las perillas del sistema).
¿Qué logros muestra el artículo?
o El diseño permite implementar cualquier compuerta cuántica de un solo cúbit simplemente ajustando parámetros como las fases y potencias de los pulsos.
o Se analizan los efectos de errores de fabricación y se muestra que se pueden compensar con pequeños ajustes en la longitud de onda de los láseres.
o Se alcanzan fidelidades mayores al 99%, lo cual es muy alto para sistemas integrados.
¿Por qué es importante?
Este trabajo propone una compuerta cuántica programable y escalable que se puede fabricar con tecnología estándar de microfabricación. Además, al usar modos temporales en lugar de otros grados de libertad, se abren posibilidades para:
o Crear redes complejas de cúbits sin necesidad de guías múltiples.
o Procesar información cuántica en paralelo.
o Usar longitudes de onda compatibles con telecomunicaciones.
¿Puedo aprender más?
Este artículo se basa en principios de óptica no lineal, modos temporales y computación cuántica. Si quieres profundizar, puedes buscar temas como:
o Esfera de Bloch
o Modos temporales
o Procesos no lineales en guías de onda
o Comportamiento cuántico de la luz