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    Enredar fotones de diferentes colores.

    Al diseñar cuidadosamente la geometría de una escala micrométrica, resonador en forma de anillo, Los investigadores del NIST produjeron pares de fotones entrelazados (partículas de luz) que tienen dos colores o longitudes de onda muy diferentes. La luz de un láser de bomba (regiones púrpuras en el resonador) genera un fotón en cada par en una longitud de onda de luz visible (parches rojos dentro y alrededor del resonador); el otro fotón tiene una longitud de onda en la parte de telecomunicaciones (infrarrojo cercano) del espectro (parches azules). Desde la perspectiva de la comunicación cuántica, estos emparejamientos combinan lo mejor de ambos mundos en un circuito óptico:el compañero de luz visible puede interactuar con los átomos atrapados, iones, u otros sistemas que sirven como versiones cuánticas de la memoria de la computadora, mientras que el miembro de longitud de onda de telecomunicaciones de cada pareja es libre de propagarse a largas distancias a través de una red de fibra óptica. Crédito:S. Kelley / NIST

    Algunos de los sistemas de comunicación más avanzados que se encuentran actualmente en desarrollo se basan en las propiedades de la ciencia cuántica para almacenar y transportar información. Sin embargo, investigadores que diseñan sistemas de comunicación cuántica que dependen de la luz, en lugar de corriente eléctrica, transmitir información se enfrenta a un dilema:los componentes ópticos que almacenan y procesan información cuántica normalmente requieren fotones de luz visible (partículas de luz) para funcionar. Sin embargo, sólo los fotones del infrarrojo cercano, con longitudes de onda unas 10 veces más largas, pueden transportar esa información a lo largo de kilómetros de fibras ópticas.

    Ahora, Los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han desarrollado una forma novedosa de resolver este problema. Por primera vez, El equipo creó pares de correlación cuántica formados por un fotón visible y otro en el infrarrojo cercano utilizando componentes ópticos basados ​​en chips que pueden producirse en masa. Estos pares de fotones combinan lo mejor de ambos mundos:los socios de luz visible pueden interactuar con los átomos atrapados, iones, u otros sistemas que sirven como versiones cuánticas de la memoria de la computadora, mientras que los miembros de infrarrojo cercano de cada pareja son libres de propagarse a largas distancias a través de la fibra óptica.

    El logro promete impulsar la capacidad de los circuitos basados ​​en la luz para transmitir información de forma segura a lugares lejanos. Los investigadores del NIST Xiyuan Lu, Kartik Srinivasan y sus colegas del NanoCenter de la Universidad de Maryland en College Park, demostró la correlación cuántica, conocido como enredo, utilizando un par específico de fotones de luz visible e infrarrojo cercano. Sin embargo, Los métodos de diseño de los investigadores se pueden aplicar fácilmente para crear muchos otros pares de luz visible / infrarrojo cercano adaptados para que coincidan con sistemas específicos de interés. Es más, los componentes ópticos en miniatura que crearon los enredos se fabrican en grandes cantidades.

    Lu, Srinivasan y sus colegas describieron recientemente su trabajo en Física de la naturaleza .

    Una de las propiedades más contradictorias de la mecánica cuántica, El entrelazamiento cuántico ocurre cuando dos o más fotones u otras partículas se preparan de una manera que los hace tan intrínsecamente conectados que se comportan como una sola unidad. Una medida que determina el estado cuántico de una de las partículas entrelazadas determina automáticamente el estado de la otra, incluso si las dos partículas se encuentran en lados opuestos del universo. El entrelazamiento se encuentra en el corazón de muchos esquemas de información cuántica, incluida la computación cuántica y el cifrado.

    En muchas situaciones los dos fotones que están entrelazados tienen longitudes de onda similares, o colores. Pero los investigadores del NIST se propusieron deliberadamente crear parejas extrañas, entrelazamiento entre fotones cuyos colores son muy diferentes.

    "Queríamos unir fotones de luz visible, que son buenos para almacenar información en sistemas atómicos, y fotones de telecomunicaciones, que están en el infrarrojo cercano y son buenos para viajar a través de fibras ópticas con baja pérdida de señal, "dijo Srinivasan.

    Para hacer que los fotones sean adecuados para interactuar con la mayoría de los sistemas de almacenamiento de información cuántica, el equipo también necesitaba que la luz tuviera un pico nítido en una longitud de onda particular en lugar de tener una más amplia, distribución más difusa.

    Para crear los pares entrelazados, el equipo construyó una "galería susurrante" óptica especialmente diseñada:un resonador de nitruro de silicio de tamaño nanométrico que dirige la luz alrededor de una pequeña pista de carreras, similar a la forma en que las ondas de sonido viajan sin obstáculos alrededor de una pared curva como la cúpula de la Catedral de San Pablo en Londres. En tales estructuras curvas, conocidas como galerías acústicas susurrantes, una persona parada cerca de una parte de la pared oye fácilmente un sonido débil que se origina en cualquier otra parte de la pared.

    Cuando una longitud de onda seleccionada de luz láser se dirigió al resonador, Surgieron pares entrelazados de fotones de luz visible e infrarrojo cercano. (El tipo específico de entrelazamiento empleado en el experimento, conocido como entrelazamiento tiempo-energía, vincula la energía de los pares de fotones con el momento en que se generan).

    "Descubrimos cómo diseñar estos resonadores de galería susurrantes para producir un gran número de los pares que queríamos, con muy poco ruido de fondo y otras luces extrañas, "Lu dijo. Los investigadores confirmaron que el entrelazamiento persistió incluso después de que los fotones de telecomunicaciones viajaron a través de varios kilómetros de fibra óptica".

    En el futuro, combinando dos de los pares entrelazados con dos memorias cuánticas, el entrelazamiento inherente a los pares de fotones se puede transferir a las memorias cuánticas. Esta tecnica, conocido como intercambio de entrelazamientos, permite que los recuerdos se entrelacen entre sí a una distancia mucho mayor de la que normalmente sería posible.

    "Nuestra contribución fue descubrir cómo hacer una fuente de luz cuántica con las propiedades correctas que podrían permitir un entrelazamiento a larga distancia," "Dijo Srinivasan.

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