En 1969, los ingenieros de la NASA enviaban señales entre la Tierra y la Luna con tecnología que hoy cabe en un teléfono móvil. Más de medio siglo después, científicos de Harvard han logrado controlar un cúbit —la unidad básica de la computación cuántica— utilizando únicamente luz, y lo han hecho con un dispositivo que cabría en la palma de la mano. Un avance técnico como este no solo despierta entusiasmo entre físicos e ingenieros: también es un paso real hacia una Internet cuántica capaz de interconectar computadoras que no necesitan estar en el mismo laboratorio, ni siquiera en la misma ciudad.
El equipo liderado por Marko Lončar, del Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, ha desarrollado un dispositivo llamado transductor cuántico electro-óptico. Este pequeño chip permite comunicar ordenadores cuánticos que usan señales de microondas con redes ópticas convencionales, como las fibras de vidrio que conectan el mundo. Lo que han demostrado en su estudio, publicado en Nature Physics, es más que una prueba de concepto: es la primera vez que un cúbit superconductivo es controlado de forma coherente usando solo luz. Como se lee en el artículo original, “demostramos el control óptico coherente de un cúbit superconductor”.
Por qué usar luz para controlar un cúbit es una hazaña
Hoy en día, muchos ordenadores cuánticos funcionan con cúbits superconductores. Estos dispositivos necesitan temperaturas extremadamente bajas para mantener su estado cuántico sin interferencias. Sin embargo, transmitir señales dentro de esos entornos criogénicos supone un problema técnico y térmico: los cables y componentes metálicos generan calor y ocupan espacio.
El control de cúbits mediante microondas es eficaz, pero no escalable. Si se pretende construir ordenadores cuánticos con millones de cúbits, como plantea el futuro de esta tecnología, es inviable hacerlo con el modelo actual basado únicamente en señales de microondas. Por eso, el uso de señales ópticas, transmitidas a través de fibras, se presenta como una alternativa mucho más eficiente y viable.
Los investigadores explican que las señales ópticas permiten aprovechar la infraestructura existente, al mismo tiempo que minimizan las pérdidas, el ruido y la carga térmica. De hecho, como detalla el artículo, las fibras ópticas podrían llegar a reducir hasta mil veces la carga térmica en comparación con los cables coaxiales.
Qué es y cómo funciona el transductor cuántico
El dispositivo desarrollado es un transductor electro-óptico de microondas, construido en una plataforma de niobato de litio sobre silicio. En su interior, integra dos resonadores ópticos acoplados en forma de pista de carreras y un resonador de microondas. Esta arquitectura permite que las señales ópticas y las señales de microondas intercambien energía de forma coherente.
El proceso de conversión se basa en un fenómeno físico conocido como generación de frecuencia por diferencia. Al introducir dos señales ópticas con una separación de frecuencia precisa, se genera una señal de microondas que puede usarse para manipular directamente el estado de un cúbit. Tal como explican los autores: “demostramos oscilaciones de Rabi inducidas ópticamente en un cúbit superconductor”.
La clave es que esta señal no necesita pasar por cables metálicos dentro del refrigerador, sino que se genera directamente a partir de luz externa. El control del cúbit se realiza mediante un impulso óptico que, al interactuar con el transductor, produce la señal de microondas deseada. Esa señal se transmite al cúbit a través de una conexión interna y se mide su estado tras la interacción.
Resultados del experimento y eficiencia lograda
El dispositivo fue capaz de controlar un cúbit con señales generadas ópticamente, un logro técnico notable. Se realizaron mediciones de oscilaciones de Rabi, un fenómeno que confirma el control coherente del cúbit. Además, se mantuvieron niveles de ruido muy bajos, algo esencial para preservar la información cuántica.
Los investigadores lograron una eficiencia máxima de conversión del 1,18 %, una cifra que puede parecer baja, pero representa un avance muy significativo. Según el artículo, esta eficiencia supone una mejora de 400 veces respecto a versiones anteriores desarrolladas por el mismo equipo, y de 500 veces en relación con otros transductores integrados.
También midieron el impacto del ruido generado por el transductor y encontraron que este era muy bajo: “observamos menos de 0,118 fotones de ruido generados por el transductor”. Esto permite suponer que, incluso con mayores potencias ópticas, el sistema seguiría siendo compatible con el funcionamiento estable de los cúbits.
En cuanto al efecto sobre la coherencia del cúbit, se midió un tiempo de decaimiento (τ) de 600 nanosegundos durante el control óptico. Sin embargo, estimaron que con mejoras en el sistema, este tiempo podría extenderse hasta los 82 microsegundos, sin que el transductor sea el factor limitante.
Aplicaciones futuras: redes cuánticas modulares
Uno de los mayores obstáculos para la computación cuántica actual es el escalado. Colocar millones de cúbits en una sola cámara criogénica es inviable. La solución pasa por crear redes de nodos cuánticos más pequeños, conectados entre sí por enlaces ópticos. Esta arquitectura modular permitiría superar los límites físicos y térmicos de los sistemas actuales.
El transductor presentado en este estudio es una pieza clave para esa visión. Su capacidad para convertir señales entre los dominios óptico y de microondas, manteniendo la coherencia cuántica, permite interconectar diferentes procesadores cuánticos mediante fibra óptica. Como afirman los autores, el rendimiento del dispositivo muestra su potencial para interconectar cúbits superconductores mediante protocolos de entrelazamiento remoto.
Además, dado que está fabricado con materiales y procesos compatibles con la industria de microchips, su integración a gran escala es factible. Podría incorporarse en futuras redes cuánticas urbanas o intercontinentales, con aplicaciones en criptografía, simulación molecular y resolución de problemas computacionalmente intratables.
Qué queda por mejorar
Pese al éxito del experimento, el estudio reconoce ciertas limitaciones. Una de ellas es la pérdida del 46 % entre el transductor y el cúbit, causada por componentes intermedios y cables. Esta pérdida podría reducirse usando mejores acoplamientos y materiales superconductores más eficientes.
Otra mejora posible es aumentar la eficiencia de conversión. Esto puede lograrse optimizando la forma de los pulsos ópticos que alimentan el transductor, lo que permitiría una mejor transferencia de energía sin alterar el estado cuántico del sistema.
Finalmente, el bajo nivel de ruido observado incluso con bombeo continuo indica que es posible aumentar la potencia óptica sin dañar la estabilidad del cúbit. Esto abre la puerta a operaciones más rápidas, intensas y complejas, sin sacrificar fidelidad.
Referencias
- Hana K. Warner, Jeffrey Holzgrafe, Beatriz Yankelevich, David Barton, Stefano Poletto, C. J. Xin, Neil Sinclair, Di Zhu, Eyob Sete, Brandon Langley, Emma Batson, Marco Colangelo, Amirhassan Shams-Ansari, Graham Joe, Karl K. Berggren, Liang Jiang, Matthew Reagor y Marko Lončar. Coherent control of a superconducting qubit using light. Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02812-0.
Cortesía de Muy Interesante
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