El transistor quàntic obre la porta per a la computació basada en fotons

Els transistors, són petits interruptors que formen la base de la informàtica moderna; milers de milions d'ells gestionen senyals elèctrics al voltant d'un telèfon intel·ligent, per exemple.

Les computadores quàntiques necessitaran un maquinari similar per manipular la informació quàntica. Però les restriccions de disseny d'aquesta nova tecnologia són estrictes, i els processadors més avançats actuals no es poden reprogramar com a dispositius quàntics. Això és degut a que els operadors d'informació quàntica, anomenats qubits, han de seguir diferents regles establertes per la física quàntica.

Els científics poden utilitzar molts tipus de partícules quàntiques com qubits, fins i tot els fotons que formen llum. Els fotons han apoartat un interesant atractiu perquè poden transmetre informació ràpida a llargues distàncies i són compatibles amb els xips fabricats. Tanmateix, fer que un transistor quàntic, hagi estat un repte, és perquè requereix que els fotons interactuïn entre si, cosa que normalment no passa per sí sola.
Però, utilitzant el transistor quàntic, s'hauria de ser capaç de realitzar portes quàntiques entre fotons. El programari que s'executa en una computadora quàntica utilitzarà una sèrie d'aquestes operacions per aconseguir acceleracions exponencials per a certs problemes de computació.

El xip fotònic es fa a partir d'un semiconductor amb nombrosos forats, fent que sembli un panal. La llum que entra al xip rebota i queda atrapada pel patró de forat; un petit cristall anomenat punt quàntic es troba dins de l'àrea on la intensitat de la llum és més forta. De memòria analògica a la memòria convencional, el punt emmagatzema de la informació sobre els fotons a mesura que entren al dispositiu. El punt pot aprofitar eficaçment aquesta memòria per interactuar amb les interaccions dels fotons, és a dir, que les accions d'un fotó afectin a altres que després de que arribin al xip.
En un transistor d'un sol fotònic, significa que la memòria de punts quàntics ha de persistir el temps suficient per interactuar amb cada qubit fotònic, això permet que un sol fotó canviï un flux de fotons més gran, que és essencial pel transistor quàntic per considerar-se un transistor.

Per provar que el xip funcionava com un transistor, els investigadors van examinar com el dispositiu responia a polsos lleugers de llum que generalment contenien només un fotó. En un entorn normal, tal llum feble gairebé no es pot registrar. Tanmateix, en aquest dispositiu, un sol fotó queda atrapat durant molt de temps, registrant la seva presència.
L'equip va observar que un sol fotó podria, controlar la transmissió d'un segon pols de llum a través del dispositiu. El primer pols de llum actua com una clau, obrint la porta del segon fotó per entrar al xip. Si el primer pols no contenia cap fotó, el punt bloquejava el pas dels fotons subsegüents. Aquest comportament és similar a un transistor convencional on una petita tensió controla el pas de corrent a través dels seus terminals. Aquí, els investigadors van reemplaçar amb èxit el voltatge amb un sol fotó i van demostrar que el seu transistor quàntic podria canviar un pols lleuger que contenia prop de 30 fotons abans que s'acabin en la memòria del punt quàntic.

S'han hagut de provar diferents aspectes del rendiment del dispositiu abans de poder treballar el transistor. Fins ara, es tenien els components individuals necessaris per fer un únic transistor fotònic, però es van poder combinar tots els passos en un sol xip.
Amb millores realistes d'enginyeria, el seu enfocament podria permetre unir molts transistors de llum quàntica. L'equip espera que aquests ràpids dispositius i altament connectats eventualment permetin assolir ordinadors quàntics compactes que processin gran quantitat de qubits fotònics.


Font: Universitat de Maryland