Computación cuántica óptica
Su fundamento principal yace en el comportamiento cuántico del fotón, cuya existencia se puede observar en los distintos campos electromagnéticos que existen, lo que nos permite utilizarlo para controlar la coherencia cuántica de diversos átomos.
Hay diferentes maneras de interpretar las ondas electromagnéticas como cúbits, donde las dos principales consisten en usar la polarización del fotón o utilizar sistemas complejos que implementen cavidades ópticas con átomos.
Un fotón (onda electromagnética) no es más que un campo eléctrico y otro magnético, perpendiculares entre ellos, que se propagan a través de un medio.
Estos campos pueden tener cierta alineación con respecto a alguna dirección de medición, la cual se denomina polarización.
La polarización puede ser usada como un cúbit debido a que no se puede conocer exactamente su orientación hasta que se mide, en el caso de la polarización lineal y circular solo se tienen dos posibles valores posibles de medición para cada una de estas.
En un experimento se puede usar cualquiera de estas dos debido a que son independientes entre sí.
[1] El campo de estudio de la electrodinámica cuántica en cavidades (QCED por sus siglas en inglés) es uno que propone distintas alternativas para generar cúbits mediante la óptica.
Esta secuencia se extiende hasta que la energía que está siendo reflejada por cada espejo es despreciable, hasta ese momento se cuenta con una especie de campo electromagnético.
Con esta cavidad creada se procede a colocar un átomo cualquiera en el centro de la cavidad, tal que este interactuará con los fotones que están rebotando.
Esta interacción lleva a la excitación de los electrones externos del átomo.
En este proceso los átomos que tienen un fotón en un nivel elevado de excitación pasan por llamadas "zonas Ramsey" donde son bombardeados por microondas.
El sistema cuántico generado es uno de dos cubits, donde el primero es la polarización de las ondas que quedan atrapadas en la cavidad y el segundo corresponde a la excitación del electrón que interactúo con las ondas.
No obstante, en la práctica este sistema no es tan útil debido a su complejidad y es de más utilidad como un experimento para estudiar la decoherencia entre partículas previamente enlazadas cuando empiezan a interactuar con sus alrededores.
[1] La conversión paramétrica descendiente espontánea es un método poco eficiente con el cual se pueden generar pares de fotones entrelazados.
[2] Para utilizar este método se debe lanzar un fotón de muy alta energía a un cristal no lineal, donde este fotón se separará en dos fotones con menores energías y momentos, cumpliendo con la ley de la conservación de la energía y el momento lineal.
El cristal separa el electrón en dos distintos haces de luz, uno con polarización “horizontal y el otro con polarización “vertical”, los fotones entrelazados estarán en líneas compartidas por ambos de estos haces, tal que a la hora de medir uno se puede conocer la polarización del otro con certeza.
El muestreo de bosones fue introducido por Scott Aaronson y Alex Arkhipov en el 2010 y este proceso puede ser realizado con una máquina de muestreo de bosón cuántico (QBSM por sus siglas en inglés) que se basa en una computadora cuántica ya que este problema no se puede tratar con un computador clásico.
[3][4][5] En comparación con el modelo KLM, el Boson Sampling es más viable ya que no necesita de operaciones de compuertas y utiliza propiedades únicas del movimiento de fotones para resolver problemas que normalmente consumirían muchos recursos.
Si se ve el modelo Boson Sampling cómo un algoritmo de caja negra se tendría que las entradas son un conjunto de fotones con la distribución que se indique y luego de que se realice el proceso el algoritmo da como salida la distribución de los fotones.
Como se ve en la figura el tablero tiene una entrada, unos clavos y unos espacios en la parte de abajo.
En el tablero se insertan unas bolas de vidrio una por una que van a chocar con los clavos y cambiar su dirección a la izquierda o derecha y este cambio es probabilístico, las bolas van a caer en los espacios al final del tablero.
Además, las bolas no son de cristal sino que son reemplazadas por fotones y en lugar de tener clavos se tienen dispositivos ópticos que forman una red.
fotones en la red óptica mencionada anteriormente, la distribución de la entrada se representa como el vector S:
En este caso práctico se toman muestras de una distribución que codifica la solución a un problema #P-completo, esto significa que, aunque la muestra presente un error en las probabilidades, el problema se puede seguir resolviendo por medio de suposiciones.
[6] Estas herramientas ópticas lineales, características del LOQC, son utilizadas por el modelo con el fin de construir un esquema basado en: Fundamentalmente, el protocolo hace posible la interacción efectiva entre fotones mediante la ejecución de mediciones proyectivas, utilizando fotodetectores.
Estas mediciones pueden categorizarse como operaciones no determinísticas sobre los fotones, convirtiendo efectivamente al protocolo en un modelo para computación cuántica no determinista.
Algunos aspectos fundamentales que caracterizan al protocolo KLM y permiten que logre los alcances antes mencionados son:[6] A pesar de proponer el fundamento teórico para computadoras cuánticas con alta escalabilidad, el modelo no necesariamente provee una arquitectura práctica.
Estos últimos manifiestan sus propiedades cuánticas en ciertos parámetros macroscópicos, como el voltaje y la corriente.
La electrodinámica cuántica en circuitos busca desarrollar elementos eléctricos que exploten los aspectos cuánticos que se pueden aprovechar en circuitos con superconductores, para ello los componentes que operan en dichos circuitos deben presentar un comportamiento no lineal, pues se debe simular un átomo coherente cuánticamente.
Esto es para poder aprovechar los fenómenos cuánticos del voltaje y la corriente que se presenta en superconductores.
