CICESE investiga para el desarrollo de la computación cuántica basada en luz.

Ensenada, Baja California, México, a 26 de diciembre de 2022. 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.

A más de cien años de dicha revolución, nos encontramos en medio de la segunda, que se centra en uno de los aspectos más fundamentales y cotidianos de la vida moderna: la computación, y 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 computación cuántica, propuesta en los años ochenta por Richard Feynman y Yuri Manin, como respuesta a las dificultades que tiene la computación clásica, ha requerido años de investigación científica desde diversas áreas del conocimiento.

En el 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, investigadores del Departamento de Óptica, han estado trabajando en una nueva propuesta para el desarrollo de la computación cuántica basada en luz.

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. Lo especial del bit cuántico es que se fundamenta en la superposición y para entender este principio, primero debemos saber que el mundo cuántico se describe por medio de probabilidades.

Por ejemplo, dentro de la mecánica cuántica, un sistema tiene 50% de probabilidad de estar en un estado 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 qué es un cúbit. En palabras de Francisco Domínguez: “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”.

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 traería? Un ejemplo: si quisiéramos encontrar una ruta óptima para entregar mercancías, tendríamos que analizar múltiples rutas; 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 abre 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.

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 para desarrollar un internet meramente cuántico. 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.

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.

El equipo de los doctores Karina Garay y Francisco Serna se encuentra actualmente trabajando en tecnologías de información cuántica por medios fotónicos.

“Nosotros buscamos hacer cómputo, pero con unos cúbits particulares que pueden generarse 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 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 (por ejemplo: 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; hasta ahora solo se ha trabajado el problema de un cúbit.

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