NTT: Realización de una fuente de luz cuántica modularizada hacia computadoras cuánticas ópticas universales a gran escala tolerantes a fallas

NTT Corporation (NTT, presidente y director ejecutivo: Jun Sawada, Chiyoda-ku, Tokio) (TOKIO: 9432) en cooperación con la Universidad de Tokio (presidente: Teruo Fujii, Bunkyo-ku, Tokio) y RIKEN (presidente: Hiroshi Matsumoto, Wako-shi, Saitama) ha desarrollado una fuente de luz cuántica acoplada a fibra óptica (fuente de luz comprimida) (*1), que es una tecnología clave para realizar una computadora cuántica óptica universal a gran escala tolerante a fallas.

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Fig 1: Generation of large-scale quantum entangled state by a time-domain-multiplexing technique (Graphic: Business Wire)

En todo el mundo se están investigando y desarrollando las computadoras cuánticas porque pueden realizar un procesamiento computacional paralelo utilizando fenómenos únicos de la mecánica cuántica, como los estados de superposición cuántica y los estados de entrelazamiento cuántico. Si bien se están considerando varios métodos, la computadora cuántica óptica que usa fotones tiene muchas ventajas. Por ejemplo, no requiere el equipo de vacío y baja temperatura que requieren otros métodos, lo que lo hace compacto. Además, al crear un estado entrelazado cuántico multiplexado en el dominio del tiempo, el número de qubits se puede aumentar fácilmente sin micro integración de circuitos o paralelización de equipos. Además, el procesamiento computacional de alta velocidad es posible gracias a la naturaleza de banda ancha de la luz. Además, se ha demostrado teóricamente que la corrección de errores cuánticos es posible mediante el uso de variables continuas de luz que aprovechan la paridad de fotones, en lugar de mediante el uso de variables discretas que usan la presencia o ausencia de fotones. Este método tiene una alta compatibilidad con tecnologías de comunicación óptica, como fibras ópticas de baja pérdida y dispositivos ópticos altamente funcionales, lo que hace un progreso espectacular hacia la construcción de computadoras cuánticas ópticas tolerantes a fallas universales a gran escala.

Para realizar las computadoras cuánticas ópticas, uno de los componentes más importantes es una fuente de luz cuántica que genera luz comprimida, que es el origen de la naturaleza cuántica en las computadoras cuánticas ópticas. En especial, es muy deseable una fuente de luz cuántica acoplada a fibra óptica. La luz comprimida es una luz no clásica que tiene un número par de fotones y ruido cuántico comprimido y se utiliza para generar entrelazamiento cuántico. Además, la luz comprimida juega un papel extremadamente importante en la corrección de errores cuánticos, ya que la corrección de errores cuánticos es posible utilizando la paridad del número de fotones. Para lograr una computadora cuántica óptica universal a gran escala con tolerancia a fallas, necesitamos una fuente de luz comprimida acoplada a fibra con un ruido cuántico altamente comprimido y una paridad del número de fotones que se mantenga incluso en los componentes con un elevado número de fotones. Por ejemplo, se requiere un nivel de compresión superior al 65 % para generar entrelazamiento cuántico múltiple en el dominio del tiempo (estados agrupados bidimensionales) (*2) que se puede utilizar para el cálculo cuántico a gran escala. Sin embargo, tales dispositivos nunca se han desarrollado debido a la dificultad de generar la luz comprimida con alta calidad.

En este estudio, hemos desarrollado una nueva fuente de luz cuántica acoplada a fibra óptica que opera en longitudes de onda de comunicación óptica. Al combinarlo con componentes de fibra óptica, generamos con éxito luz comprimida de onda continua con más del 75 % de ruido cuántico comprimido con una frecuencia de banda lateral de más de 6 THz incluso en un sistema cerrado de fibra óptica por primera vez. Esto significa que el dispositivo clave en las computadoras cuánticas ópticas se ha realizado en una forma que es compatible con las fibras ópticas mientras se mantiene la naturaleza de banda ancha de la luz. Esto permitirá el desarrollo de una computadora óptica cuántica en un sistema estable y sin mantenimiento utilizando fibras ópticas y dispositivos de comunicación óptica. Esto supondrá un avance enorme en el desarrollo de computadoras cuánticas ópticas a gran escala del tamaño de un rack.

Los resultados de esta investigación se publicarán en la revista científica estadounidense Applied Physics Letters el 22 de diciembre de 2021 (hora de EE. UU.). Este artículo también ha sido seleccionado como un artículo “Selección del editor”. Una parte de esta investigación fue apoyada por el Programa de Investigación y Desarrollo Moonshot de la Agencia Japonesa de Ciencia y Tecnología (JST).

[Puntos]

• Hemos desarrollado un módulo de fuente de luz comprimida de alto rendimiento acoplado a fibra óptica, que será un dispositivo clave para realizar una computadora cuántica óptica del tamaño de un rack.
• Mediante el uso del módulo de fuente de luz cuántica acoplada a fibra desarrollado y los dispositivos de comunicación óptica, se ha generado con éxito luz comprimida de onda continua con ruido cuántico suprimido en más del 75 % en un ancho de banda amplio de más de 6 THz en un sistema cerrado de fibra óptica para la primera vez.
• Este logro hace posible desarrollar una computadora cuántica óptica a una escala realista en un sistema óptico estable y sin mantenimiento utilizando dispositivos de comunicación óptica y hará que avance mucho el desarrollo de una computadora cuántica óptica universal a gran escala tolerante a fallas.

[Fondo]
La investigación y el desarrollo para realizar una computadora cuántica universal se están llevando a cabo activamente en todo el mundo. Recientemente, se ha informado de computación cuántica con aproximadamente 100 qubits físicos utilizando circuitos superconductores. Sin embargo, para realizar una computadora cuántica universal tolerante a fallas, se requieren alrededor de un millón de qubits físicos. Por lo tanto, aumentar el número de qubits se ha convertido en un gran desafío en la computación cuántica. Para realizar un millón de qubits mediante circuitos superconductores o iones atrapados, se han adoptado enfoques para aumentar el número de qubits integrando sus elementos y paralelizando equipos. Por otro lado, se espera que una computadora cuántica óptica sea capaz de realizar computación cuántica universal a una escala abrumadoramente grande que utilice una técnica de multiplexación en el dominio del tiempo (*3) y manipulación cuántica inducida por medición (*4), que es un enfoque completamente diferente de los métodos convencionales. En la técnica de multiplexación en el dominio del tiempo, dividimos la luz que vuela continuamente en segmentos de tiempo y colocamos la información en los pulsos de luz separados. Con este método, podemos aumentar fácilmente el número de qubits en el eje del tiempo sin aumentar el tamaño del equipo (Fig. 1). Además, se ha demostrado teóricamente que la corrección de errores cuánticos es posible mediante el uso de la paridad del número de fotones y las variables continuas de la luz. Al utilizar una fibra óptica de baja pérdida como medio de propagación para los qubits ópticos voladores, los estados cuánticos entrelazados a gran escala podrán generarse de forma libre y estable en combinación con dispositivos de comunicación óptica. En concreto, con solo cuatro fuentes de luz comprimidas, dos fibras ópticas de diferentes longitudes (líneas de retardo óptico) y cinco divisores de haz (Fig. 2), se pueden generar estados agrupados bidimensionales a gran escala que son necesarios para los cálculos cuánticos universales. Se trata de un enfoque que no requiere necesariamente integración o equipo a gran escala y que permite realizar la computación cuántica universal en la escala de equipo realista de un rack, mientras que los métodos que utilizan circuitos superconductores o iones atrapados requieren la integración de elementos o la paralelización de equipos. Además, este método puede realizar cálculos de alta velocidad aprovechando la alta frecuencia de la luz. Esto significa que no solo se pueden implementar algoritmos cuánticos de alta velocidad, sino que también sus frecuencias de reloj pueden ser elevadas, lo que convierte a las computadoras cuánticas ópticas en la tecnología definitiva de procesamiento de información de alta velocidad.

Hasta ahora, hemos demostrado varias operaciones cuánticas ópticas para realizar esta computadora cuántica óptica mediante el uso de un sistema óptico espacial que consta de muchos espejos alineados con alta precisión. Esto es para minimizar la pérdida óptica de luz y mejorar la interferencia entre la luz tanto como sea posible. Sin embargo, si los espejos están desalineados aunque sea levemente, no se lograrán las características deseadas y la trayectoria de la luz tuvo que reajustarse para cada experimento. Por estas razones, para realizar una computadora cuántica óptica de uso práctico, se debe utilizar un sistema óptico cerrado a la guía de ondas óptica, como un circuito integrado óptico o una fibra óptica, que tenga una excelente estabilidad operativa y no requiera mantenimiento. En concreto, el elemento más fundamental en las computadoras cuánticas ópticas es la luz comprimida. Esta luz no clásica tiene el ruido cuántico comprimido de la amplitud o la fase de una onda, que es un par no conmutativo de cantidades físicas. Dado que esta luz es difícil de generar y se degrada fácilmente por la pérdida óptica, la luz de una fuente de luz comprimida acoplada a fibra óptica tiende a ser pobre. Especialmente, más del 65 % de luz comprimida, que es necesaria para generar un estado entrelazado cuántico a gran escala multiplexado en el dominio del tiempo (estados de agrupación bidimensional) no se ha realizado con una configuración cerrada de fibra óptica.

[Avance técnico]
Hemos desarrollado un módulo de fuente de luz cuántica acoplada a fibra de baja pérdida (módulo de amplificación paramétrica óptica) (Fig. 3). Hemos logrado una pérdida baja al renovar el método de fabricación de la guía de ondas de niobato de litio de polos periódicos (PPLN), que es la parte principal del módulo. El módulo se ensambló como un módulo acoplado a fibra óptica de baja pérdida mediante el uso de la técnica de ensamblaje de dispositivos de comunicación óptica que NTT ha cultivado. Al conectar componentes de fibra óptica, medimos con éxito la luz comprimida en la que el ruido cuántico se reduce a más del 75 % con un ancho de banda de más de 6 THz (Fig. 4). Esto significa que los estados cuánticos necesarios para la computación cuántica óptica se pueden generar y medir incluso en un sistema completamente cerrado de fibras ópticas. Por lo tanto, la fuente de luz cuántica de fibra acoplada desarrollada permitirá realizar una computadora cuántica óptica estable y libre de mantenimiento a una escala realista, lo que supondrá que el desarrollo futuro avance enormemente.

En este experimento, utilizamos un nuevo método en el que el primer módulo genera luz comprimida y el segundo módulo convierte la información cuántica óptica en información de luz clásica. El amplificador paramétrico óptico desarrollado como fuente de luz se utiliza en la dirección opuesta para lograr una amplificación óptica que mantenga la paridad del número de fotones. A diferencia de la técnica convencional de detección homodina equilibrada, este método de medición puede amplificar y convertir la señal cuántica en una señal óptica clásica sin transformarla en electrones. Gracias a esto, permite mediciones abrumadoramente rápidas. Esta tecnología se podrá utilizar para realizar en el futuro computadoras cuánticas totalmente ópticas y contribuirá en gran medida a la realización de computadoras cuánticas totalmente ópticas que operen a frecuencias de reloj de terahercios y sean extremadamente rápidas.

[Trabajos futuros]
Como primer paso, desarrollaremos una computadora óptica cuántica compuesta por componentes de fibra óptica en combinación con varias operaciones ópticas cuánticas que hemos desarrollado hasta ahora. Además, mejoraremos la capacidad de compresión de ruido cuántico de la fuente de luz cuántica para realizar una computadora cuántica óptica universal a gran escala tolerante a fallas.

[Apoyo a esta investigación]
Esta investigación fue apoyada por el Proyecto Moonshot de I+D de la Agencia Japonesa de Ciencia y Tecnología (JST), Moonshot Goal 6: “Realización de una computadora cuántica universal tolerante a fallas que revolucionará la economía, la industria y la seguridad para 2050” (Director del programa: Katsuhiro Kitagawa, profesor, Escuela de Graduados en Ciencias de la Ingeniería, Universidad de Osaka). Proyecto de I+D “Desarrollo de computadoras cuánticas ópticas universales tolerantes a fallas a gran escala” (Responsable del proyecto: Akira Furusawa, profesor, Escuela de Graduados de Ingeniería, Universidad de Tokio).

[Comentario del gerente de proyecto]
Hasta ahora, se pensaba que los circuitos integrados eran esenciales para la realización de una computadora cuántica a gran escala. Sin embargo, este éxito demuestra que los circuitos integrados no son necesarios y que, mediante el uso de los módulos desarrollados y los componentes de fibra óptica, podemos realizar una computadora cuántica óptica a gran escala. Con este logro, la realización de una computadora cuántica a gran escala se ha convertido en una realidad, y se puede decir que ha nacido una tecnología revolucionaria.

[Glosario]
*1 Fuente de luz comprimida
Un dispositivo que genera luz en un estado en el que se comprime una de las fluctuaciones cuánticas (ruido cuántico) de un par no conmutativo de cantidades físicas. Se realiza mediante un medio que induce eficazmente fenómenos ópticos no lineales.

*2 Estado de clúster bidimensional (2D)
Un estado entrelazado cuántico a gran escala que puede realizar cualquier patrón de cálculo cuántico. En 2019, el profesor Akira Furusawa y sus colegas de la Universidad de Tokio consiguieron un estado de clúster óptico bidimensional con más de 10 000 qubits ópticos. [Ref. 1.

*3 Técnica de multiplexación en el dominio del tiempo para la generación de entrelazamiento cuántico
Un método para generar estados entrelazados a gran escala a partir de un número limitado de fuentes de luz cuántica separando temporalmente la luz emitida desde una fuente de luz cuántica continua e interfiriendo con los paquetes de ondas cuánticas (pulsos) separados con un interferómetro de retardo óptico.

*4 Computación cuántica basada en mediciones
Un método que puede realizar computación cuántica universal equivalente a la computadora cuántica basada en compuertas, que se ha investigado en todo el mundo. A diferencia de la computación cuántica convencional basada en compuertas, en la que los qubits individuales se entrelazan mediante operaciones de compuerta, este método implica preparar de antemano un entrelazamiento cuántico a gran escala. Al observar algunos qubits, podemos manipular el qubit restante.

[Referencia 1]
W. Asavanant, et al., “Generation of time-domain-multiplexed two-dimensional cluster state”, Science 366, 373 (2019).

[Información de publicación]
Takahiro Kashiwazaki, Taichi Yamashima, Naoto Takanashi, Asuka Inoue, Takeshi Umeki y Akira Furusawa
“Fabricación de una guía de ondas PPLN cuasi monomodo de baja pérdida y su aplicación a un exprimidor modular de banda ancha de alto nivel”
Applied Physics Letters
DOI: 10.1063/5.0063118

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