Un nuevo tipo de chip podría hacer que los ordenadores cuánticos lleguen a la vida real

Un equipo de investigadores ha demostrado que un nuevo tipo de chip fotónico de silicio podría funcionar como una base sólida para construir un simulador cuántico, o sea un ordenador cuántico con aplicaciones útiles en el mundo real. Estos dispositivos podrían emplearse para acelerar el desarrollo de fármacos o revelar las características de interacciones moleculares complejas, entre otras aplicaciones. 

Científicos de la Universidad de Washington, en Estados Unidos, han dado un paso clave en el esfuerzo por llevar a los ordenadores cuánticos a la vida cotidiana: en un nuevo estudio, publicado recientemente en la revista Nature Communications, demostraron que un chip fotónico de silicio puede hacer viable el desarrollo de un simulador cuántico, con aplicaciones concretas en la realidad.

Buscando aplicaciones reales

Se sabe que los ordenadores cuánticos y otras tecnologías cuánticas podrían propiciar avances significativos en áreas como la ciberseguridad, la simulación molecular, el descubrimiento de fármacos y la fabricación de nuevos materiales, por ejemplo. Sin embargo, hasta el momentos estos dispositivos no han podido usarse para aplicaciones prácticas, quedando exclusivamente en un terreno teórico o para experimentos en laboratorio. 

Una alternativa muy interesante son los simuladores cuánticos, un tipo especial de ordenador construido sobre los principios de la mecánica cuántica, que tiene el potencial de realizar tareas informáticas con capacidades de procesamiento muy superiores a las que alcanzan los superordenadores más rápidos que existen en la actualidad.

Sin embargo, de la misma forma que ha sido imposible hasta hoy desarrollar un ordenador cuántico práctico y con utilidad en la vida real, construir un simulador cuántico funcional también ha sido una proeza inalcanzable hasta el momento, desde que la idea fue propuesta por primera vez por el matemático Yuri Manin en 1980. Desde entonces, los investigadores han intentado emplear sin éxito iones atrapados, átomos fríos y cúbits superconductores para construir un simulador cuántico capaz de aplicaciones en el mundo real. 

Ahora, el equipo de científicos a cargo del nuevo estudio ha demostrado que los chips fotónicos de silicio podrían ser la piedra fundamental para la creación de simuladores cuánticos con impacto directo en la realidad. "Hemos verificado que la fotónica puede ser clave para el desarrollo de la simulación cuántica, y los chips fotónicos pueden desempeñar un papel muy importante en la construcción de un simulador cuántico con aplicaciones prácticas. Se trata de una excelente plataforma para realizar un simulador cuántico útil, que podría ampliarse a tamaños grandes", indicó en una nota de prensa Arka Majumdar, líder del grupo de investigación.

Múltiples ventajas y avances

Vale aclarar que la fotónica es una rama de la óptica que se aplica a la generación, detección y manipulación de la luz para facilitar una amplia gama de tecnologías, como láseres, fibra óptica y diodos emisores de luz (LED). Una ventaja clave de los chips fotónicos de silicio sería que los dispositivos fotónicos se pueden fabricar con tecnologías y materiales ya probados, que se han utilizado durante décadas para producir chips semiconductores.

Los investigadores sostienen que el método de fabricación de los nuevos chips fotónicos ayudará a reducir los costes de producción para desarrollar un simulador cuántico. Al mismo tiempo, permitirá ampliar el chip lo suficiente como para que sea utilizable en una amplia gama de dispositivos cuánticos.

Además, los científicos explicaron que en el corazón del chip existe una "matriz de cavidades acopladas fotónicas". Se trata de un espacio donde los fotones pueden confinarse, aumentar y disminuir su caudal energético y moverse de forma controlada, formando los circuitos necesarios para garantizar la funcionalidad del chip.

Por último, la creación de un algoritmo matemático que permite mapear o caracterizar el chip en detalle y el diseño de un nuevo tipo de arquitectura permitió al equipo programar el dispositivo: según los científicos, hasta el momento nunca se habían concretado todas estas innovaciones al mismo tiempo en un chip fotónico de silicio. En consecuencia, los especialistas creen que los nuevos chips podrían impulsar el desarrollo de simuladores cuánticos prácticos y relativamente sencillos de producir.

Referencia

Realizing tight-binding Hamiltonians using site-controlled coupled cavity arrays. Abhi Saxena, Arnab Manna, Rahul Trivedi and Arka Majumdar. Nature Communications (2023). DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-023-41034-x