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El procesamiento cuántico se amplía y da el salto de la teoría a la realidad

El proyecto VLS-QPP ha trabajado en una nueva generación de procesador de fotónica cuántica y en los algoritmos para explotar plenamente sus capacidades. Las posibles aplicaciones abarcan desde la ciencia médica hasta la seguridad de datos.

Investigación fundamental

«Son tiempos emocionantes para la fotónica cuántica». Hace ya tres años que Peter Lodahl, responsable del grupo de Fotónica Cuántica de la Universidad de Copenhague, observa la materialización continua de elementos básicos de «hardware» cuántico, y es muy optimista sobre el futuro. Con cada nuevo elemento básico, el mundo se acerca un poco más a la primera generación de dispositivos de detección precisa y comunicación de computación cuántica. Lodahl ha sido, en realidad, mucho más que un mero observador, puesto que también supervisa un grupo de unos treinta científicos que trabajan en el campo de la tecnología de la fotónica cuántica. Según explica: «Nuestro grupo se ha especializado en el desarrollo de fuentes de fotones individuales deterministas y coherentes y de interfaces emisoras de fotones con una calidad suficientemente alta para ampliar su escala. Ahora aprovechamos estos conocimientos técnicos y esta tecnología mediante la aplicación de recursos fotónicos en el procesamiento avanzado de la información cuántica. Trabajamos para poder llevar a cabo simulaciones de fotónica cuántica y una red neuronal de fotónica cuántica, lo cual requiere una interconexión híbrida de nuestra tecnología con circuitos integrados fotónicos (PIC, por sus siglas en inglés) avanzados y comercialmente disponibles. Se trata de un cambio fundamental que tiene lugar en la actualidad». Uno de los principales proyectos liderados por Lodahl es el proyecto VLS-QPP, que cuenta con una beca de investigación Marie Skłodowska-Curie. El proyecto tiene como objetivo desarrollar una tecnología de óptica cuántica de próxima generación. Para ello, lleva a cabo el desarrollo simbiótico de «hardware» y algoritmos, y además utiliza la plataforma de fotónica de silicio.

A la vanguardia de los procesadores fotónico cuánticos

El beneficiario de una beca internacional del programa Marie Skłodowska-Curie que lidera el programa, Jacques Carolan, indica que VLS-QPP se propone incorporar los componentes «cuánticos» que faltan al «hardware» clásico: «Aunque las tecnologías comerciales como la fotónica de silicio ofrecen una escala y complejidad sin precedentes, carecen de la funcionalidad cuántica fundamental». VLS-QPP desarrolla la próxima generación de procesadores fotónicos cuánticos de muy gran escala mediante la ampliación de la tecnología óptica clásica existente con nuevos componentes cuánticos. «Los principales elementos que han hecho posible el proyecto son las fuentes de un solo fotón y las interfaces coherentes emisoras de fotones. Estas últimas nos han permitido probar operaciones gigantes no lineares con fotones con una sensibilidad de un solo fotón. Se trata de un componente facilitador clave que, hasta ahora, faltaba para las puertas cuánticas fotónicas y que facilita la computación y la comunicación cuánticas», explica Lodahl. La principal innovación de VLS-QPP estriba en el uso de la tecnología planar para acoplar los fotones con los circuitos nanofotónicos. A diferencia de la mayoría de los otros métodos que emplean estructuras verticales en las que los fotones se acoplan fuera del chip, la tecnología planar es escalable para crear circuitos fotónicos avanzados en los que las funcionalidades pueden integrarse directamente en el chip. «Nuestra tecnología se comercializa a través de la empresa derivada Sparrow Quantum, fundada a partir de mi grupo», comenta Lodahl.

De la teoría a la realidad

La estrecha interacción entre la teoría y la experimentación es fundamental para el éxito de VLS-QPP. Carolan añade: «El “hardware” que desarrollamos es solo tan bueno como los algoritmos y protocolos de los que disponemos para ejecutarlos en él. Por lo tanto, hemos desarrollado nuevos métodos para controlar estos sistemas de fotónica cuántica de tan gran envergadura, así como una serie completamente nueva de aplicaciones en el campo de nueva aparición del aprendizaje automático cuántico». En general, la principal contribución de VLS-QPP al campo de la fotónica cuántica es el desarrollo de procesadores cuánticos de una escala sin precedentes. El proyecto, que llegará a su fin en septiembre de 2020, también ha sentado las bases de la computación cuántica fotónica escalable y se ha traducido en una serie de publicaciones. Su nuevo procesador cuántico podría tener una repercusión considerable en los campos de la computación y el aprendizaje automático al facilitar una plataforma de «hardware» robusta y escalable que puede implementar toda una nueva familia de algoritmos cuánticos a corto plazo. Las posibles aplicaciones de los hallazgos del proyecto pueden inscribirse en tres sectores principales: la ciencia médica para el estudio de procesos bioquímicos en aras del descubrimiento de fármacos; la seguridad de datos a través del desarrollo y la aplicación de una distribución de clave cuántica nueva y segura y de arquitecturas de repetidores cuánticos; y el aprendizaje automático cuántico al llevar a cabo inferencias en señales ópticas. En general, Lodahl está seguro de que estos avances crearán nuevas oportunidades de mercado en la industria cuántica e incluso más allá de esta.

Palabras clave

VLS-QPP, fotónica cuántica, procesador, fotón, red neuronal, algoritmos

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