El equipo de investigación chino logra un verdadero entrelazamiento de 13 qubits sin destruir fotones

Los ordenadores cuánticos prometen resolver problemas que los ordenadores clásicos actuales no pueden abordar, pero hacer que un número suficiente de qubits trabajen de forma coordinada sigue siendo un gran desafío. Recientemente, un grupo de investigación chino ha mostrado en un nuevo estudio cómo combinar pequeños grupos de fotones de microondas entrelazados en una red cuántica más grande y programable, sin destruir los fotones durante el proceso de conexión. Lograron demostrar el verdadero entrelazamiento entre 13 qubits de fotones, allanando el camino para sistemas de computación y comunicación cuánticos más escalables. El desafío radica en cómo establecer de forma fiable estas conexiones. Los qubits pueden conectarse mediante el entrelazamiento, un fenómeno cuántico cuyo estado compartido no puede describirse de forma independiente.

Los científicos pueden organizar estas conexiones en estructuras llamadas estados de grafo, que actúan como recursos para la computación y la comunicación cuánticas. El investigador cuántico de la Universidad de Tsinghua, 張宏毅, afirmó: «Los grandes estados de grafo fotónicos son un recurso importante para la comunicación cuántica, las redes cuánticas y la computación cuántica basada en mediciones».

Una forma de conectar pequeños estados entrelazados es mediante un proceso de fusión, que los combina para formar estados más grandes. Sin embargo, los métodos de fusión utilizados en los sistemas ópticos lineales tradicionales suelen ser probabilísticos, lo que significa que algunos intentos fallan. Los intentos repetidos y el hardware adicional hacen que la creación de estados más grandes sea cada vez más difícil. El grupo de investigación presentó una estrategia que emplea circuitos superconductoras para combinar pequeños fotones de microondas entrelazados. Este método no crea un único estado entrelazado gigante en un solo paso, sino que construye una red más grande conectando estados preparados más pequeños. La clave de este enfoque reside en una técnica denominada medición cuántica no destructiva.

Técnica de medición cuántica no destructiva

A diferencia de las mediciones que absorben o destruyen los fotones, este método permite extraer información conservando los fotones. En este experimento, la medición también modificó el estado cuántico compartido de la pareja, lo que permitió a los investigadores conectar estados de grafo más pequeños. 張宏毅 señaló: «Exploramos si es posible lograr una fusión determinista mediante el uso de mediciones cuánticas no destructivas. Nuestro objetivo era demostrar una operación de fusión determinista y programable, y probar que proporciona una vía práctica para ensamblar estados de grafo fotónicos más grandes y reconfigurables».

Los investigadores generaron primero pequeños grupos de fotones de microondas entrelazados mediante circuitos superconductoras. Codificaron la información cuántica en diferentes ranuras temporales de los fotones, lo que permite que la información se transmita en distintos momentos de llegada. A continuación, utilizaron un detector de medición cuántica no destructiva para medir pares de fotones seleccionados y proyectarlos en un estado entrelazado específico, conocido como estado de Bell. Esto permite conectar los estados de grafo más pequeños sin destruir los fotones. Luego, ajustando la frecuencia de los fotones —también llamada sintonización de frecuencia—, los investigadores pueden elegir qué pares medir, controlando cómo se conectan los estados de grafo más pequeños para formar uno mayor.

Esto hace que el proceso de fusión sea programable. El equipo también combinó el reinicio y la reutilización activos de los qubits superconductoras, junto con una mitigación de errores integrada, lo que ayuda a limitar los efectos de la decoherencia causada por la interacción con el entorno. Mediante este enfoque, los investigadores demostraron un verdadero entrelazamiento multipartito entre 13 qubits de fotones. Esto significa que el entrelazamiento se extiende por todo el conjunto y no se limita a subgrupos aislados. Este logro muestra que el proceso de fusión puede generar estados de grafo fotónicos más grandes y reconfigurables. 張宏毅 afirmó: «Nuestra principal contribución es una operación de fusión determinista, programable y no destructiva».

Aplicaciones de los grandes estados de grafo fotónicos

Los grandes estados de grafo fotónicos pueden respaldar la computación cuántica basada en mediciones, en la que el cálculo se realiza mediante mediciones cuidadosamente seleccionadas sobre el estado entrelazado. También pueden impulsar las redes cuánticas y los esquemas de corrección de errores cuánticos, destinados a proteger la información cuántica frente a errores. 張宏毅 explicó: «Este trabajo proporciona una arquitectura para escalar los estados de grafo fotónicos conectando estados de recursos más pequeños a demanda. Esto está relacionado con la futura computación cuántica basada en mediciones, las redes cuánticas y posibles esquemas de corrección de errores cuánticos, ya que tanto el tamaño como la conectividad de los estados de grafo son cruciales».

Sin embargo, demostrar el entrelazamiento entre 13 qubits no equivale a construir un ordenador cuántico práctico a gran escala. El sistema aún requiere mejoras en la precisión de los dispositivos, la eficiencia de generación de fotones y el rendimiento de los detectores. Por ello, los investigadores planean ahora desarrollar arquitecturas con múltiples detectores para realizar más operaciones de fusión y generar estados de grafo más grandes y complejos. Queda por ver si este enfoque puede escalar de manera eficiente manteniendo el rendimiento requerido. El estudio se ha publicado en la revista Nature Physics.

Un avance clave para la computación cuántica escalable

El éxito del equipo de investigación chino muestra un progreso importante en el campo de la computación cuántica, especialmente en la tecnología de entrelazamiento entre qubits. Gracias a la medición cuántica no destructiva, los investigadores pueden extraer y procesar información sin dañar los fotones, lo que resulta fundamental para los futuros sistemas de computación y comunicación cuánticas. La creación de grandes estados de grafo fotónicos no solo mejora la eficiencia de la computación cuántica, sino que también refuerza la estabilidad y la fiabilidad de las redes cuánticas. A medida que la tecnología siga avanzando, esta investigación podría allanar el camino hacia la realización de ordenadores cuánticos de mayor escala y resolver los desafíos que enfrenta la tecnología actual.