Un transistor de luz cuántico alumbra la computación basada en fotones

Investigadores han demostrado el primer transistor de fotón único que usa un chip semiconductor cuántico, capaz de una aceleración exponencial en ciertos problemas de cómputo.

Los transistores son pequeños interruptores que forman la base de la informática moderna; miles de millones de ellos envían señales eléctricas dentro de un teléfono inteligente, por ejemplo.

Las computadoras cuánticas necesitarán hardware análogo para manipular la información cuántica. Pero las restricciones de diseño para esta nueva tecnología son estrictas, y los procesadores más avanzados de la actualidad no pueden reutilizarse como dispositivos cuánticos. Eso se debe a que los portadores de información cuántica, llamados qubits, tienen que seguir diferentes reglas establecidas por la física cuántica.

Los científicos pueden usar muchos tipos de partículas cuánticas como qubits, incluso los fotones que conforman la luz. Los fotones tienen un atractivo adicional porque pueden transportar rápidamente información a largas distancias y son compatibles con chips fabricados. Sin embargo, producir un transistor cuántico activado por la luz ha sido desafiante, ya que requiere que los fotones interactúen entre sí, algo que normalmente no sucede por sí mismo.

Ahora, investigadores de la Escuela de Ingeniería A. James Clark de la Universidad de Maryland y del Joint Quantum Institute (JQI) – dirigido por el Profesor de Ingeniería Eléctrica e Informática, JQI Fellow, y el Instituto de Investigación en Electrónica y Física Aplicada Afiliado Edo Waks – han despejado este obstáculo y han demostrado el primer transistor de fotón único que usa un chip semiconductor. El dispositivo, descrito en Science, es compacto; aproximadamente un millón de estos nuevos transistores podrían caber dentro de un solo grano de sal. También es rápido y capaz de procesar 10.000 millones de qubits fotónicos por segundo.

“Al usar nuestro transistor, deberíamos poder realizar compuertas cuánticas entre los fotones”, dice Waks en un comunicado. “El software que se ejecuta en una computadora cuántica usaría una serie de tales operaciones para lograr una aceleración exponencial para ciertos problemas de cómputo”.

El chip fotónico está hecho de un semiconductor con numerosos agujeros, lo que lo hace parecer un panal de miel. La luz que entra al chip rebota y queda atrapada por el patrón del agujero; un pequeño cristal llamado punto cuántico se encuentra dentro del área donde la intensidad de la luz es más fuerte. De forma análoga a la memoria de la computadora convencional, el punto almacena información sobre los fotones a medida que ingresan al dispositivo. El punto puede acceder efectivamente a esa memoria para mediar en las interacciones de los fotones, lo que significa que las acciones de un fotón afectan a otras que luego llegan al chip.

“En un transistor de fotón único, la memoria de puntos cuánticos debe persistir el tiempo suficiente para interactuar con cada qubit fotónico”, dice Shuo Sun, autor principal del nuevo trabajo e investigador postdoctoral en la Universidad de Stanford, que era un estudiante graduado de la Universidad de Maryland en el momento de la investigación. “Esto permite que un solo fotón cambie una mayor cantidad de fotones, lo que es esencial para que nuestro dispositivo se considere un transistor”.

Para probar que el chip funcionaba como un transistor, los investigadores examinaron cómo el dispositivo respondía a los pulsos de luz débil que generalmente contenían un solo fotón. En un entorno normal, una luz tenue apenas podría registrarse. Sin embargo, en este dispositivo, un solo fotón queda atrapado durante mucho tiempo, registrando su presencia en el punto cercano.

El equipo observó que un solo fotón podría, al interactuar con el punto, controlar la transmisión de un segundo pulso de luz a través del dispositivo. El primer pulso de luz actúa como una llave, abriendo la puerta para que el segundo fotón ingrese al chip. Si el primer pulso no contenía ningún fotón, el punto bloqueó el paso de los fotones posteriores. Este comportamiento es similar a un transistor convencional donde una pequeña tensión controla el paso de la corriente a través de sus terminales. Aquí, los investigadores reemplazaron con éxito el voltaje con un solo fotón y demostraron que su transistor cuántico podía conmutar un pulso de luz que contenía alrededor de 30 fotones antes de que se agotara la memoria del punto cuántico.

Waks dice que su equipo tuvo que probar diferentes aspectos del rendimiento del dispositivo antes de hacer funcionar el transistor. “Hasta ahora, teníamos los componentes individuales necesarios para hacer un solo transistor de fotones, pero aquí combinamos todos los pasos en un solo chip”, dice.

Sun dice que con mejoras de ingeniería realistas su enfoque podría permitir que muchos transistores de luz cuántica se vinculen entre sí. El equipo espera que dispositivos tan rápidos y altamente conectados conduzcan finalmente a computadoras cuánticas compactas que procesen grandes cantidades de qubits fotónicos.

Fuente: europapress.es

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