Laboratorio nacional de Materia Cuántica en el CIO

Tecnologías de Información y Cómputo Cuántico

Fecha: 30 de Junio de 2023

Edición: Junio 2023 No. 35

Roberto Ramírez · | Hacemos ciencia para ti | Visto 307 veces

El Laboratorio Nacional de Materia Cuántica: Materia Ultrafría e Información Cuántica (LANMAC), del cual es parte estructural el Centro de Investigaciones en Óptica A.C. a través del Laboratorio de Fotónica Cuántica, nace en 2014 como una alianza nacional que permite participar en forma definitiva, como parte del esfuerzo global, en el desarrollo de innovadoras tecnologías de información y cómputo cuántico.

Dichas tecnologías surgen en la década de los 80’s a partir de la idea original de Richard Feynman, uno de los más grandes físicos del siglo XX, especializado en mecánica cuántica, la teoría científica que nos permite entender, predecir y controlar la naturaleza a nivel fundamental atómico con un grado de precisión sorprendente. Luego de una charla magistral que impartió en la “Primera Conferencia de Física de la Computación” realizada en el Instituto de Tecnología de Masachussets (MIT del inglés) en mayo de 1981, Feynmann aseveró que resultaba imposible simular de forma eficiente la evolución de un sistema cuántico (partículas fundamentales, átomos, moléculas, sistemas biológicos) usando una computadora electrónica digital ordinaria o “clásica”, basada en la implementación de “bits” como unidad de la información. Debido a esto, Feynmann sugirió la necesidad de desarrollar un nuevo paradigma o modelo de computación conocido como cómputo cuántico. Este nuevo modelo, que usa como unidad fundamental de información al bit cuántico o “Qbit”, explota dos extraños fenómenos de la naturaleza a nivel atómico, la superposición de estados cuánticos y el enredamiento de estados cuánticos, los cuales se emplean como un recurso para almacenar, trasmitir y procesar información en maneras radicalmente diferentes, permitiendo resolver problemas de cómputo y llevar a cabo tareas de información que resultan poco eficientes o imposibles de resolver utilizando bits clásicos en computadoras ordinarias, basadas en la arquitectura de la maquina universal de Turing.

Actualmente, el estudio y aplicación de propiedades cuánticas de la luz y la materia han generado avances tecnológicos que han transformado de manera trascendental y en múltiples aspectos, tanto nuestra vida cotidiana como la concepción misma que tenemos de nuestro entorno. Este hecho es reconocido internacionalmente al grado de que, en los últimos diecisiete años, se han otorgado un total de cinco premios Nobel a doce científicos involucrados en esta disciplina, siendo el más reciente el premio nobel 2022 otorgado los físicos Alain Aspect, John Clauser y Anton Zeilinger por sus relevantes contribuciones en el desarrollo de experimentos con fotones enredados los cuales establecen las bases para el desarrollo de futuras tecnologías de información y cómputo cuántico.

Para entender el potencial revolucionario de estas nuevas tecnologías podemos considerar que se estima que una computadora cuántica será hasta 100 millones de veces más rápida que la más poderosa computadora clásica disponible actualmente. Otro ejemplo es el caso del protocolo de información cuántica de encriptación de telecomunicaciones conocido como Distribución Cuántica de Llaves (QKD del inglés), el cual explota el teorema de no clonación de estados cuánticos para encriptar redes de telecomunicaciones por fibra óptica o satelitales de forma que sean 100% seguras e inviolables por principio fundamental físico.

Hoy en día se comercializan los primeros prototipos de estas revolucionarias tecnologías, los cuales han despertado enorme interés en gigantes tecnológicos como Google, que compró la primera computadora cuántica disponible comercialmente a la canadiense D-Wave Systems por la asombrosa suma de 10 millones de dólares, así como el hecho de que el mercado global de computo cuántico se estima en 2023 con un valor $866 millones de USD, con un crecimiento esperado de 38% anual en la próxima década. Un aspecto importante de estas nuevas tecnologías de información cuántica es que debe ser posible integrarlas en chips escalables y compatibles con las redes de telecomunicaciones disponibles en la actualidad.

En este contexto el Laboratorio Nacional de Materia Cuántica: Materia Ultrafría e Información Cuántica (LANMAC) surge con la misión de posicionar a México como un jugador relevante en el desarrollo de investigación en ciencia básica y aplicaciones tecnológicas en temas de Materia Ultrafría e Información Cuántica. De esta forma, el LANMAC representa un necesario esfuerzo nacional que involucra a investigadores en diversas instituciones (UNAM, CIO, CICESE, INAOE, ITESM, UASLP, CENAM) de varios estados del país, con el objetivo de entender propiedades fundamentales de sistemas cuánticos para el desarrollo de aplicaciones tecnológicas de próxima generación en las áreas de información, cómputo, metrología e imagenología cuánticas.

Algunos de los principales proyectos o líneas de investigación que desarrolla el LANMAC son:

1. Creación de sistemas gaseosos cuánticos y trampas magneto-ópticas para atrapar y manipular átomos neutros o iones ultrafríos. Estos sistemas, que representan los primeros en el país y segundos en Latinoamérica, se implementarán en forma de condensados de Bose-Einstein, Fermi-Dirac o trampas de iones y serán usados en aplicaciones como el desarrollo de procesadores y memorias cuánticas para tecnologías de información y cómputo cuántico, así como el desarrollo de relojes atómicos de próxima generación para tecnologías de metrología cuántica de ultra alta precisión.



2. Diseño e implementación de fuentes de estados fotónicos cuánticos con propiedades optimizadas para aplicaciones específicas. Cada una de las nuevas tecnologías de información cuántica requiere de un tipo particular de estado cuántico fotónico, por lo que el desarrollo de técnicas que permitan la generación eficiente de fotones con propiedades optimizadas es un área de investigación muy activa en la actualidad. Los estados fotónicos cuánticos se generan explotando procesos de óptica no lineal como conversión paramétrica espontánea descendente (SPDC del inglés).

3. Creación de circuitos fotónicos cuánticos integrados en chip. Los circuitos fotónicos integrados permiten la implementación escalable y robusta de protocolos de información y cómputo cuántico en aplicaciones fuera de laboratorio, directamente compatibles con redes de telecomunicaciones disponibles.

El CIO, mediante los proyectos desarrollados en el laboratorio de Fotónica Cuántica, es partícipe de este esfuerzo liderando el desarrollo de fuentes de estados fotónicos cuánticos y circuitos fotónicos cuánticos integrados en chip, diseñando y fabricando chips fotónicos con arquitectura de óptica integrada mediante la técnica de escritura láser directa y nanolitografía con haz de electrones. Los chips, cuyas primeras pruebas exitosas se han obtenido recientemente, se usarán en estudios de propiedades fundamentales de sistemas cuánticos, así como en la implementación de protocolos de información, cómputo e imagenología cuántica. Estos avances posicionan al CIO y al LANMAC en el panorama global del desarrollo de tecnologías fotónicas cuánticas de próxima generación.