Como nuevo designado conjunto en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU., Eden Figueroa se está acostumbrando a atravesar sus roles dentro de la Iniciativa de Ciencia Computacional (CSI) y la División de Instrumentación del Laboratorio, mientras que también supervisa el grupo de Tecnología de la Información Cuántica como profesor titular en la Universidad de Stony Brook. Para la mayoría, Trabajar en tantos lugares a la vez puede ser estresante y desconectador. Sin embargo, para Figueroa, que tiene una fascinación de larga data por la mecánica cuántica, navegar por conexiones complicadas sirve para inspirar las redes cuánticas que su equipo está configurando y probando actualmente.

Fuera del frio

Figueroa inició su andadura en México como físico y experimentalista, cuyo interés por la mecánica cuántica lo llevó a la Universidad de Konstanz (Alemania) y al Instituto de Ciencia de la Información Cuántica de la Universidad de Calgary (Canadá) para estudiar bajo la modalidad de A.I. Lvovsky. Mientras cursaba su doctorado, Figueroa comenzó a construir memorias cuánticas, células de vidrio llenas de átomos que son estimuladas por láseres para controlar los estados atómicos dentro de ellas o, como él dijo, "para hacer que los fotones hablen y cuenten sus secretos a los átomos".

"La construcción de memorias cuánticas proporcionó un aspecto del control de la naturaleza en los niveles más fundamentales:los fotones son luz y las partículas representan la materia, "Figueroa explicó." Esto fue ingeniería cuántica en el nivel más fundamental ".

Uno de los aspectos más característicos del funcionamiento del hardware cuántico es la necesidad de mantenerlo frío, muy frío; 2 K (-456 ° F) de frío. El frío mantiene las partículas lo más estacionarias posible, permitiendo la toma de medidas. Figueroa se dio cuenta de que trabajar a estas temperaturas extremadamente frías era una limitación. Cuando le preguntó a su profesor si una memoria cuántica podría funcionar a temperatura ambiente, le dijeron:"No lo creo, pero demuéstrame que estoy equivocado ". Ese comando fue el impulso para que Figueroa pasara casi tres años trabajando en varios prototipos hasta que ayudó a diseñar una memoria cuántica operable a temperatura ambiente, que desde entonces se ha expandido a integrado, memorias portátiles del "tamaño de una caja de zapatos" que desempeñan un papel fundamental en la forma en que su equipo está construyendo una red cuántica.

"Transpórtame"

Como definición de base, una red cuántica transfiere bits de datos cuánticos, o qubits, a distancias utilizando fibras de telecomunicaciones estándar. Sin embargo, a diferencia del intercambio habitual de 0 y 1 bits, esta transferencia de datos se basa en las leyes de la mecánica cuántica. A nivel subatómico (cuántico), las partículas pueden comportarse de manera muy diferente a como lo hacen en estados comúnmente entendidos por la física clásica, incluso existen en dos lugares a la vez. Este "entrelazamiento cuántico", en el que las partículas comparten propiedades a pesar de estar separadas por la distancia, es una parte elemental de los experimentos de redes cuánticas que se están llevando a cabo en Brookhaven Lab. Universidad de Stony Brook, y (pronto) la Universidad de Yale.

"Las partículas en el mundo entrelazado por la mecánica cuántica comparten cosas incluso si están a miles de kilómetros de distancia, "Dijo Figueroa." Si has visto Star Trek, es como cuando Kirk llama, 'Transpórtame'. Podemos usar el entrelazamiento cuántico para teletransportar información de un área a otra a una velocidad que no se puede igualar en los sistemas clásicos ".

Para probar este esfuerzo, Figueroa y otros científicos del laboratorio inicialmente emplearon líneas de fibra de comunicaciones existentes, midiendo aproximadamente dos kilómetros (km), o un poco más de una milla, entre edificios en el campus de Brookhaven Lab para construir una pequeña red cuántica que comparte el entrelazamiento. Notablemente, este trabajo en curso reúne todas las conexiones de investigación de Figueroa. CSI gestiona los aspectos de la computación cuántica de la red, así como diseña las redes y enlaces, mientras que el grupo de Instrumentación de Brookhaven proporciona los fotones entrelazados y otra infraestructura y capacidades experimentales. Algunos de los componentes de detección del banco de pruebas se han desarrollado en el Departamento de Física del laboratorio. El laboratorio de Figueroa en la Universidad de Stony Brook proporciona la memoria cuántica que procesa la información. También se está construyendo un "gemelo" directo de ese laboratorio dentro del edificio de Instrumentación en Brookhaven. El objetivo es tener una red cuántica operativa en unos pocos años.

En otro experimento de entrelazamiento cuántico, Figueroa y su equipo "transmitirán fotones al espacio libre, "Básicamente de un telescopio a otro en su línea directa. Figueroa explica que este trabajo en curso será un eje para avanzar hacia una red cuántica más expansiva".

"Si podemos demostrar que funciona en dos experimentos establecidos a más de 20 km, podemos poner más conexiones, ", dijo." Ahora mismo, queremos construir una red entre Brookhaven, Stony Brook, y luego a Yale y crear vínculos de un campus a otro hasta que estemos compartiendo fotones activamente entre los tres campus. Quizás dentro de cinco años podemos escalar el sistema que usamos y poner más conexiones para cubrir el estado de Nueva York, Connecticut, toda la región noreste ".

Figueroa también dio crédito al recién inaugurado centro Northeast Quantum Systems, conocido como NEQsys, para facilitar la conexión con la Universidad de Yale, señalando que Brookhaven Lab ha proporcionado un nexo regional para investigadores con intereses comunes en la ciencia de la información cuántica (QIS) que de otra manera podrían no existir.

"La conexión entre Brookhaven y Stony Brook es una especie de matrimonio natural, ", explicó." Sin embargo, NEQsys proporciona una hermosa conexión para investigar en, por ejemplo, Yale y el MIT con los que no necesariamente habría interactuado. Ahora, con Yale, estamos conectados e iniciamos una expansión de nuestra investigación. Esto no sería posible sin NEQsys ".

¿Porqué ahora? ¿Por qué no?

Figueroa reconoció la casualidad en el momento de estos esfuerzos. Ha visto un aumento en el interés en la cuántica de entidades como DOE y señaló que el liderazgo en Brookhaven Lab y la Universidad de Stony Brook han estado ofreciendo tanto las instalaciones como las oportunidades para lanzar los experimentos fundamentales necesarios para ampliar la investigación de QIS.

"Hemos encontrado el desafío:primero, la construcción de memoria cuántica a temperatura ambiente. Ahora, podemos construirlo, ", explicó." Ahora, tenemos laboratorios funcionando en diferentes lugares para lanzar una red cuántica. Estas ideas solo avanzan cuando está dispuesto a poner recursos para resolver el problema. Los enfoques realmente convergieron en Brookhaven. Kerstin [Kleese van Dam, Director de CSI], Dimitri [Katramatos, Científico de CSI], Gabriella [Carini, Instrumentación, Jefe de División Adjunto], y Andrei [Nomerotski, Físico], todos han sido solidarios, obteniendo lo que necesitamos para crear esta infraestructura cuántica ".

Principalmente, Figueroa está emocionado e impresionado por el nivel de compromiso que ha visto en todos los involucrados a medida que crecen los experimentos. Los pasos técnicos y el escalado requieren la capacidad intelectual de los científicos líderes, ingenieros de tecnología de la información, estudiantes de posgrado, y más. Figueroa agregó que la creciente atención en QIS también está generando un mayor interés entre los estudiantes.

"Saben que en la investigación cuántica, están sucediendo algunas cosas que nunca se han hecho, y pueden ver el hardware, infraestructura, y subvenciones en busca de investigación. Es muy poderoso y las condiciones son las adecuadas. Para estudiantes, es mágico, " él dijo.

La formación de la próxima generación es otro ingrediente del plan para ampliar QIS, especialmente en Nueva York. Según Figueroa, Stony Brook University comenzará a ofrecer cursos en el otoño de 2019 hacia un programa de maestría con énfasis en QIS. Los cursos ofrecerán inmersión en la tecnología cuántica para ingenieros o científicos que espera que alimenten a las nuevas empresas en tecnología cuántica. Al incluir a Brookhaven Lab como socio de recursos, Figueroa prevé "potenciar un programa cuántico centrado en Long Island".

Figueroa reconoció de inmediato que existe una carrera competitiva en toda regla para ser el primero en el mundo en albergar una red cuántica escalable que comparte entrelazamientos. Ya, China tiene una ventaja de casi 10 años en sus inversiones cuánticas y Europa no se queda atrás. Todavía, con muchos desafíos pendientes para desbloquear una red cuántica en funcionamiento, Figueroa rezuma optimismo cuando observa el panorama de la investigación.

"¿Por qué no ser ellos los que lo hagan?" preguntó. "Podemos liderar esta área. Es el momento adecuado para hacerlo. Si lo hacemos posible, sería una historia principal en Los New York Times . Sería un cambio de juego para la comunidad. Estoy emocionado por eso. Podemos hacer algo hermoso ".