El ABC de la computación cuántica


CICESE investiga acerca de la computación cuántica basada en fotónica



Ciencias físicas

La luz siempre ha sido un aspecto muy llamativo de la naturaleza y fue gracias a esta que, a principios del siglo pasado, pudimos dar un vistazo a los confines más pequeños y misteriosos del universo, e impulsó el desarrollo de la mecánica cuántica y la primera revolución cuántica.

En la actualidad, a más de 100 años de dicha revolución, nos encontramos en medio de la segunda, diferente porque se centra en uno de los aspectos más fundamentales y cotidianos de la vida moderna: la computación.

La segunda revolución cuántica se fundamenta en efectos físicos, como el entrelazamiento cuántico, el principio de superposición, la teleportación cuántica y muchos otros que suman al diseño de las tecnologías del futuro.

La tecnología que más ha avanzado, gracias a esta revolución, es la computación cuántica, propuesta en los años ochenta por Richard Feynman y Yuri Manin, como respuesta a las dificultades que tiene la computación clásica, al tratar de simular sistemas y fenómenos cuánticos. El avance de esta tecnología ha requerido años de investigación científica.

El desarrollo de la teoría y la tecnología detrás de las computadoras cuánticas ha requerido de la contribución de diversas áreas del conocimiento. Para saber más acerca de los conceptos básicos de la computación cuántica y conocer acerca de la investigación que se está realizando para el desarrollo de estas tecnologías, entrevistamos a un grupo de investigadores del Departamento de Óptica del  Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, Baja California (CICESE), la doctora Karina Garay Palmett y el doctor Francisco Antonio Domínguez Serna, quienes han estado trabajando en una nueva propuesta para el desarrollo de la computación cuántica basada en luz. Veamos el contexto.

Computación clásica y cuántica

Para entender la diferencia entre la computación cuántica y la computación clásica, con la que interactuamos en nuestro día a día, nos explica Francisco Domínguez: “La computación clásica es algo con lo que estamos más acostumbrados, usualmente escuchamos que se basa en bits, o de otra forma, ceros y unos. De manera más general, está construida sobre una base de circuitos electrónicos en donde estos ceros y unos representan típicamente un estado de conducción o no conducción, circuito cerrado o circuito abierto”.

En cambio, la computación cuántica está basada en las leyes de la mecánica cuántica, como lo son el principio de superposición y el entrelazamiento; esta computación se basa en la lógica del bit cuántico, o cúbit, y lo especial del bit cuántico es que se fundamenta en la superposición.

Para explicar el principio de superposición, primero debemos saber que el mundo cuántico se describe por medio de probabilidades.

Por ejemplo, dentro de la mecánica cuántica, digamos que un sistema tiene 50% de probabilidad de estar en un estado A y 50% de estar en un estado B; nosotros no podemos saber en qué estado se encuentra nuestro sistema hasta que lo observemos y obtengamos una respuesta definitiva. Mientras no realicemos una medición del sistema para conocer su estado, aquél se encuentra en una superposición de ambos: el sistema puede estar en A o en B al mismo tiempo y no conoceremos su estado hasta observar.

Ahora que sabemos a qué se refiere el principio de superposición, podemos definir de una manera más concreta lo que es un cúbit, apoyándonos con la definición del bit y de la superposición. En palabras del Investigador por México (programa Conacyt) adscrito al CICESE: “El bit es la mínima unidad de información en la computación clásica, es decir, tenemos un estado cero o un estado uno y pueden representar, por ejemplo, una puerta cerrada o abierta. Por otro lado, un cúbit (o bit cuántico), sería una superposición de estar en ambos estados al mismo tiempo”.

Lo clásico contra lo cuántico

La computación clásica se ha convertido en un componente fundamental de la vida moderna, pero a pesar de sus logros, esta no es perfecta y no es capaz de resolver todos nuestros problemas; por esta razón se comenzó a desarrollar la computación cuántica.

¿Qué ventajas nos traería la computación cuántica? Francisco Domínguez responde con un ejemplo: “Un problema que nos muestre las ventajas de la computación cuántica, sería el de encontrar una ruta óptima para la entrega de mercancía. Este es un problema complicado porque existen múltiples rutas que te permiten realizar todas las entregas que tengas; cuando tratamos de resolverlo en una computadora clásica, se comparan todas las rutas, una a la vez, lo cual toma gran cantidad de tiempo.

La computadora cuántica, en cambio, toma la combinación o la superposición de todas las rutas posibles y hace un procesamiento sobre estas de forma simultánea (a esta simultaneidad también se le conoce como paralelismo cuántico); la superposición de los sistemas cuánticos es la que nos permite hacer un procesamiento mucho más veloz, en comparación con una computadora clásica”.

De esta manera, la computación cuántica es capaz de resolver problemas que no eran realizables con la computación convencional, por lo que abriría nuevas puertas para el desarrollo de nuevas tecnologías. Un ejemplo que va bien en los tiempos posteriores a la pandemia es la simulación de moléculas para el diseño de nuevas vacunas.

“Si queremos estudiar computacionalmente el comportamiento de alguna molécula, en una computadora clásica es muy difícil porque requiere traducir la naturaleza del problema a un sistema discreto más simple, lo que hace que la simulación tome mucho tiempo y recursos para completarse, ¿Qué pasa si esa molécula representa un componente clave de alguna vacuna? Diseñar una vacuna basada en este procesamiento informático, puede ser lento y poco eficiente; por otro lado, si hacemos la misma simulación en una computadora cuántica, como el funcionamiento de la computadora depende de los mismos principios cuánticos que la molécula, entonces será mucho más natural entender y simular el sistema físico y sus variaciones”.

En otra dirección, actualmente ya podemos observar los beneficios que el desarrollo de tecnologías cuánticas ha traído a la sociedad. Karina Garay señala: “Un ejemplo está en el campo de la metrología. Un tipo especial de luz cuántica, conocida como luz comprimida, se usa para mejorar la sensibilidad en algunos interferómetros. También está lo relacionado con las comunicaciones cuánticas, todavía no se puede tener un nivel de comunicación como el del Internet actual, pero se está trabajando y hay inversiones millonarias para desarrollar un internet meramente cuántico. Yo creo que sí es una tecnología que pudiera llegar a casa en algún momento” La tecnología cuántica existe, y hay empresas que ofrecen servicios de computación cuántica.

Micrografías por microscopio electrónico de barrido (SEM por sus siglas en inglés), que muestran estructuras fabricadas en la plataforma de nitruro de silicio a) anillo resonador, b) divisor de potencia con acoplador, c) divisor de potencia en Y. Estas son los bloques de construcción para una computadora cuántica basada en fotónica. Tesis de doctorado de Ana Luisa Aguayo.

Unos cuantos obstáculos en el camino

Sabemos que nos encontramos en medio de la segunda revolución cuántica, queda mucho camino por recorrer, esto es visible al diseñar y fabricar computadoras cuánticas, ya que estos sistemas requieren de condiciones ambientales muy especiales para tener un funcionamiento correcto.

Algunas de las computadoras cuánticas disponibles comercialmente están basadas en estados de materia (átomos, iones), lo que quiere decir que sus cúbits están representados en los estados de estos átomos o iones, estos sistemas presentan problemas que dificultan su desarrollo, como nos explica el doctor Domínguez.

“Uno de los grandes problemas para la computación cuántica se encuentra en el ambiente, específicamente en la interacción de éste con el sistema de la computadora, la mayoría de los sistemas requiere condiciones de trabajo muy especiales, normalmente se busca controlar lo que está alrededor del procesador, para que este se encuentre aislado. También se busca que esté a una temperatura cercana al cero absoluto y hacer eso es difícil, además de que las vibraciones alrededor del sistema deben ser nulas; si le vas agregando cosas se va haciendo más y más complicado el problema”.

Además del reto del ambiente, usualmente se necesita hacer procesos donde interactúan dos o más cúbits, esto trae consigo nuevas dificultades, pero ¿qué quiere decir esto de interacción? En palabras de Francisco Domínguez: “Por ejemplo, si tienes dos cúbits representados por estados atómicos, y los quieres hacer interactuar, los puedes acercar de cierta manera controlada, pero tiene que ser tal que la interacción se dé como uno la diseña, esto requiere que el ambiente no interactúe más allá de lo que uno tiene contemplado, por lo que las dificultades están en aislar el ambiente y controlar las interacciones, esto es para sistemas basados en materia”.

Los sistemas basados en materia tienen varios problemas, lo que nos lleva a preguntarnos, ¿Hay computadoras cuánticas que funcionen de otra manera? La respuesta es sí y justamente en el CICESE se realiza investigación acerca del tema.

Estas propuestas se basan en realizar computación cuántica con luz; en palabras del equipo de investigadores que trabajan en este proyecto: “En los sistemas basados en luz, el procesamiento de la información se basa en fotones. Estos sistemas tienen ciertas ventajas; por ejemplo, los fotones casi no interactúan con su ambiente, por lo que tienen una ventaja contra los sistemas de materia, el problema es que estos fotones, casi no interactúan entre ellos, por lo que al diseñar una computadora cuántica basada en fotones todo depende de cómo estos interactúan entre sí”.

En general, los fotones tienen varias maneras de interactuar y dependiendo de qué sistema de interacción implementemos en una propuesta particular, obtendremos dificultades diferentes.

Una de estas propuestas está basada en la óptica lineal, las interacciones dentro de este campo son muy sencillas y el equipo necesario para realizarlas es fácil de conseguir pues consiste de espejos, divisores de haz, lentes y otros elementos que usualmente se encuentran en los laboratorios de óptica; la mayor dificultad de este acercamiento está en que se requieren fotones individuales y generar estos es muy difícil.

La segunda propuesta se basa en la óptica no lineal donde se tienen interacciones más complicadas, pero con la ventaja de que no se necesitan fuentes de fotones individuales. A la fecha existen dos compañías con computadoras cuánticas basadas en luz, el investigador del CICESE nos cuenta: “Existen dos apuestas en cuanto a sistemas fotónicos que son estables, PsiQuantum en California y Xanadú en Canadá, que trabajan con sistemas de luz. Uno de estos utiliza los aspectos discretos de la luz, como es la polarización, y otro aprovecha las características continuas de los fotones como la frecuencia o su energía”.

La aportación del CICESE

El equipo de los doctores Karina Garay y Francisco Serna, se encuentra actualmente trabajando en tecnologías de información cuántica, ellos decidieron incursionar en el problema de la computación cuántica por medios fotónicos, lo que buscan es hacer un acercamiento un poco diferente.

 

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“Nosotros buscamos hacer cómputo, pero con unos cúbits particulares, que se pueden generar a través de una interacción no lineal. De momento, ya mostramos teóricamente que es posible preparar estos bits cuánticos, que son cúbits de color en el sentido de que podemos tener a la salida del sistema, un fotón que puede ser rojo, azul o puede estar en una superposición de ambos; por eso, le denominamos cúbit de color. También demostramos que el mismo proceso que permite generarlos, permite poder transformarlos; hacer transformaciones de un cúbit no son más que hacer rotaciones en algo que llamamos la esfera de Bloch. Hasta ahora hemos abordado el problema de compuertas cuánticas de un solo cúbit (las computadoras cuánticas comerciales como la de IBM, manejan alrededor de 127 cúbits)”, nos comenta la doctora Garay.

Para este proyecto tienen una colaboración con el Centro de Nanociencias y Nanotecnología (CNyN) de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), además de la Universidad Tecnológica de Troyes en Francia. Estas instituciones ayudan en la otra parte de la propuesta del equipo, que consiste en fabricar estos sistemas cuánticos basados en luz, como circuitos integrados (ejemplos de circuitos integrados: procesador, tarjeta madre, microchips, etc.) que funcionan a base de luz. Además, el equipo ha comenzado a trabajar en un sistema donde puedan tener dos cúbits interactuando entre sí, recordemos que hasta ahora solo se ha trabajado el problema de un cúbit.

El premio Nobel de física de 2022

Ahora que sabemos acerca de la investigación que realizan Karina Garay y Francisco Serna, así como los temas que tienen previstos para el futuro, y en vista de que el premio Nobel de Física 2022, se otorgó por experimentos que estudiaban las desigualdades de Bell, las cuales expresan que si existen variables ocultas, las cuales rigen el comportamiento de un sistema entrelazado, la correlación entre las mediciones de un experimento, no excedería cierto valor, dándonos señales de que está incompleta la descripción actual de la mecánica cuántica.

El premio se otorgó de manera conjunta a Alain Aspect, John F. Clauser y Anton Zeilinger, quienes lograron realizar experimentos que mostraban que dichas desigualdades no se cumplían, mostrando que la mecánica cuántica estaba completa, entonces podríamos hablar acerca del papel que tuvo este fenómeno físico, y la investigación detrás de él sobre el trabajo de los doctores Karina y Francisco.

“El premio Nobel se adjudicó por experimentos que tienen que ver con la demostración del entrelazamiento cuántico y particularmente entrelazamiento cuántico en estados de luz. Eso lo acerca mucho a lo que nosotros hacemos, porque aquí justamente trabajamos con procesos de la óptica no lineal para preparar estados de dos fotones y poder tener entrelazamiento cuántico; para esto necesitas un sistema que al menos esté formado por dos subsistemas y en el caso fotónico sería el de dos fotones.

Entonces, hay procesos de la óptica no lineal que nos permiten emitir una pareja de fotones a la vez, esa pareja de fotones exhibe correlaciones, ya sea en el número de fotones (que significa que sí existe uno debe existir el otro), también en el espectro de los fotones, el momento espacial o en muchos grados de libertad de la luz, pero justamente el que se den estas correlaciones puede conllevar a que uno pueda preparar estados entrelazados. Esto sí, está muy aunado a lo que nosotros hacemos en particular porque el Nobel se dio por experimentos basados en fotones”, comenta Karina Garay.

Computación cuántica, la tecnología del futuro

La computación cuántica es un campo que se encuentra en rápido crecimiento y como hemos visto con el premio Nobel de física 2022, tiene gran reconocimiento por parte de la comunidad científica, pues su desarrollo aporta al avance de otras áreas de la ciencia. Además, promete una gran cantidad de beneficios para la sociedad, pues es clave para la solución de grandes problemas de la actualidad; por eso, existe una gran iniciativa de la comunidad científica y el sector privado para poder desarrollar esta tecnología y CICESE no es la excepción. Desde los laboratorios en Ensenada, se está contribuyendo de maneras innovadoras para impulsar el crecimiento de esta área.

Referencias

Aguayo-Alvarado, A.L., Domínguez-Serna, F., Cruz, W.D.L. et al. An integrated photonic circuit for color qubit preparation by third-order nonlinear interactions. Sci Rep 12, 5154 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-09116-w

Domínguez Serna, F. A., & Garay Palmett, K. (2021). Quantum state preparation and one qubit logic from third-order nonlinear interactions. Journal of the Optical Society of America B, 38(8), 2277-2283. doi: https://doi.org/10.1364/JOSAB.424374.

Peña, L. De la (2006). Introducción a la mecánica cuántica. Fondo de Cultura Económica.

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*Estudiante de la Licenciatura en Física en la Facultad de Ciencias, UABC. Agradezco a la Mtra. Norma Herrera Hernández su asesoría para la elaboración de este artículo y la edición final.

Palabras clave: Computación, cuántica, cúbit, Karina Garay, superposición, entrelazamiento cuántico

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