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¿Son los cúdits y las fuentes de luz en un chip la nueva imagen de la computación cuántica?

Controlar y aprovechar las propiedades de la luz clásica y no clásica es fundamental para crear una metrología ultraprecisa y aplicaciones para los ordenadores cuánticos. Un proyecto financiado con fondos europeos desarrolló sistemas láser de gran sofisticación y fuentes de luz en un chip flexibles, todo un avance para lograr dicho objetivo.

Economía digital

Los sistemas en chip fotónicos pequeños, prácticos y de gran eficacia son esenciales para producir y controlar pulsos ópticos en regímenes clásicos y cuánticos, precisamente la base del trabajo del proyecto financiado con fondos europeos DC FlexMIL. La investigación se llevó a cabo con el apoyo del programa Marie Curie. «Trabajamos para lograr una nueva clase de fuentes de luz pulsada integrada en los regímenes clásico y no clásico con propiedades de emisión estables y flexibles», explica Michael Kues, beneficiario de la beca Marie Curie y contratado recientemente como profesor en la Universidad Leibniz de Hannover (Alemania). Para lograrlo se emplearon resonadores de microanillos ópticos. Las frecuencias resonantes crean interferencias constructivas en una guía de onda anular y así es posible acceder a muchos colores específicos. En el proyecto se crearon fuentes de luz controlables con propiedades nuevas y singulares que aprovechan el fenómeno no lineal de mezcla de cuatro ondas de estos resonadores de microanillo. Un ancho de banda óptico de láseres pulsados de récord El equipo del proyecto logró crear un láser miniaturizado de gran eficacia con un resonador de microanillo como cavidad. Es el primer láser de nanosegundos con acoplamiento de modos de pulso pasivo de tipo Kerr con un ancho espectral extremadamente bajo y limitado en el espectro de los 105 MHz. Su mecanismo de acoplamiento de modos se basa en la mezcla de cuatro ondas. «Nuestra nueva arquitectura de láser aprovecha los últimos avances en óptica de microcavidad no lineal. En concreto, aprovechamos el estrecho paso de banda del resonador de microanillo integrado de alta calidad, el cual además de ofrecer cambios de fase de elevada no linealidad, permite generar pulsos de nanosegundos a través de acoplamiento de modo», indica Kues. El láser pulsado generado tiene un ancho de banda tan estrecho que no era accesible con analizadores del espectro óptico de última generación. Para caracterizar el ancho de banda del láser, los investigadores emplearon una técnica de golpeo óptico («optical beating»). El ancho de banda de láser más bajo jamás logrado permitió por vez primera medir todas las características espectrales de un láser de modos fijos en el dominio de la radiofrecuencia (RF) mediante electrónica de RF común. De este modo, se facilitó la coherencia temporal intensa del láser. Los sistemas de láser de modo fijo pasivo son los ideales para generar convoyes de pulsos ópticos con bajo ruido. Este tipo de sistema posibilita la creación de referencias de frecuencia óptica estables con fines metrológicos (por ejemplo relojes ópticos) e interacciones de alta intensidad entre materia y luz. Menos es más para la computación cuántica La mayoría de los trabajos destinados a construir un ordenador cuántico funcional se basaban en cúbits, que, a diferencia de los bits clásicos, pueden presentar dos valores de manera simultánea (0 y 1). En lugar de aumentar la cantidad de cúbits disponibles a fin de alcanzar las capacidades de procesamiento necesarias para una práctica informática cuántica relevante, resulta más fácil mantener una cantidad más pequeña de cúdits, cada uno de ellos capaz de presentar una mayor gama de valores. «Es la primera vez que se han generado dos cúdits entrelazados en un chip integrado, cada uno con diez niveles y cien dimensiones en total, más de los que podrían generar seis cúbits entrelazados», señala Kues. El equipo empleó dispositivos en chip y componentes de telecomunicaciones estándar para crear y manipular los estados cuánticos. Mediante mapeo de frecuencia a tiempo, el equipo del proyecto transformó estos estados cuánticos enormemente entrelazados en estados de clúster unidimensionales. «Este tipo nuevo de sistemas cuánticos es una herramienta óptima para ejecutar operaciones de computación cuántica», concluye Kues.

Palabras clave

DC FlexMIL, cúdit, en chip, microanillo resonador de microanillo, cúbit, ordenador cuántico, radiofrecuencia (RF), metrología, láser de modos fijos, mezcla de cuatro ondas

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