Un equipo de físicos polaco-británico ha construido y probado un compacto, convertidor eficiente capaz de modificar las propiedades cuánticas de fotones individuales. El nuevo dispositivo debería facilitar la construcción de computadoras cuánticas complejas, y en el futuro puede convertirse en un elemento importante en las redes cuánticas globales, los sucesores de Internet de hoy.

Internet cuántica y computadoras cuánticas híbridas, construido a partir de subsistemas que operan por medio de fenómenos físicos, ahora son algo más que una mera imaginación. En un artículo publicado en Fotónica de la naturaleza , Físicos de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia (FUW) y de la Universidad de Oxford informan del desarrollo de un elemento clave de tales sistemas:un dispositivo electroóptico que permite modificar las propiedades de los fotones individuales. A diferencia de las construcciones de laboratorio existentes, este nuevo dispositivo funciona con una eficiencia previamente inalcanzable y al mismo tiempo es estable, confiable y compacto.

Construir un dispositivo eficiente para modificar el estado cuántico de fotones individuales fue una tarea excepcionalmente desafiante, dadas las diferencias fundamentales entre la computación clásica y la cuántica.

Los sistemas informáticos contemporáneos se basan en el procesamiento de grupos de bits, cada uno de los cuales se encuentra en un estado específico:0 o 1. Los grupos de dichos bits se transfieren continuamente entre diferentes subcomponentes dentro de una sola computadora, y entre diferentes computadoras en la red. Podemos ilustrar esto en sentido figurado imaginando una situación en la que se mueven bandejas de monedas de un lugar a otro, con cada moneda mostrando cara o cruz.

Las cosas son más complicadas en la computación cuántica, que se basa en el fenómeno de superposición de estados. Un poco cuántico conocido como qubit, puede estar tanto en el estado 1 como en el estado 0 al mismo tiempo. Para extender la metáfora de las monedas, esto es análogo a una situación en la que cada moneda gira sobre su borde. El procesamiento de información puede describirse como procesamiento "cuántico" siempre que esta superposición de estados se mantenga durante todas las operaciones; en otras palabras, siempre que ninguna de las monedas salga del estado de giro mientras se mueve la bandeja.

"En años recientes, los físicos han descubierto cómo generar pulsos de luz con una longitud de onda o polarización específica, que consiste en un solo cuanto (o excitación) del campo electromagnético. Y así hoy sabemos cómo generar precisamente cualquier tipo de 'monedas giratorias' cuánticas que queramos, "dice el Dr. Michal Karpinski del Instituto de Física Experimental (FUW), uno de los autores de la publicación. "Pero lograr una cosa siempre te deja con ganas de más. Si ahora tenemos cuantos de luz individuales con propiedades específicas, sería útil modificar esas propiedades. Por lo tanto, la tarea es tomar una moneda de plata giratoria y moverla de un lugar a otro, mientras lo convierte de forma rápida y precisa en una moneda de oro, naturalmente sin volcarlo. Puede ver fácilmente que el problema no es trivial ".

Los métodos existentes para modificar fotones individuales han utilizado técnicas ópticas no lineales; en la práctica, intentando forzar a un fotón individual a interactuar con un haz de bombeo óptico muy fuerte. Si el fotón realmente se modifica es una cuestión de pura casualidad. Es más, la dispersión del haz de la bomba puede contaminar la corriente de fotones individuales. Al construir el nuevo dispositivo, el grupo de la Universidad de Varsovia y la Universidad de Oxford decidió utilizar un fenómeno físico diferente:el efecto electro-óptico que se produce en ciertos cristales. Proporciona una forma de alterar el índice de refracción de la luz en el cristal variando la intensidad de una fuerza magnética externa que se le aplica (en otras palabras, sin introducir fotones adicionales).

"Es bastante asombroso que para modificar las propiedades cuánticas de los fotones individuales, podemos aplicar con éxito técnicas muy similares a las que se utilizan en las telecomunicaciones estándar de fibra óptica, "Dice el Dr. Karpinski.

Usando el nuevo dispositivo, los investigadores lograron un alargamiento de seis veces la duración de un pulso de fotón único sin interrumpir la superposición cuántica, lo que automáticamente significa un estrechamiento de su espectro. Lo que es particularmente importante es que toda la operación se llevó a cabo conservando una eficiencia de conversión muy alta. Los convertidores existentes han operado solo en condiciones de laboratorio y solo pudieron modificar uno de cada decenas de fotones. El nuevo dispositivo funciona con una eficiencia superior al 30 por ciento, hasta 200 veces mejor que ciertas soluciones existentes, manteniendo un bajo nivel de ruido.

"En esencia, procesamos cada fotón que entra en el cristal. La eficiencia es inferior al 100 por ciento no debido a la física del fenómeno, pero debido a pérdidas difíciles de evitar de naturaleza puramente técnica, apareciendo por ejemplo, cuando la luz entra o sale de las fibras ópticas, "explica el estudiante de doctorado Michal Jachura (FUW).

El nuevo convertidor no solo es eficiente y silencioso, pero también estable y compacto. El dispositivo puede estar contenido en una caja de unos 10 cm (4 pulg.), fácil de instalar en un sistema de fibra óptica que canaliza fotones individuales. Tal dispositivo podría permitir construir cosas como computadoras cuánticas híbridas, cuyos subcomponentes individuales procesarían información utilizando diferentes plataformas físicas y fenómenos cuánticos. En el presente, se están haciendo intentos para construir computadoras cuánticas usando cosas como iones atrapados, el electrón gira en el diamante, puntos cuánticos, circuitos eléctricos superconductores, y nubes atómicas. Cada sistema interactúa con luz de diferentes propiedades, que en la práctica descarta la transmisión óptica de información cuántica entre diferentes sistemas. El nuevo convertidor, por otra parte, Puede transformar de manera eficiente pulsos de luz de un solo fotón compatibles con un sistema en pulsos compatibles con otro. Por lo tanto, los científicos están trabajando hacia redes cuánticas, ambos pequeños dentro de una sola computadora cuántica (o subcomponente de la misma), y los globales que proporcionan una forma de enviar datos de forma completamente segura entre computadoras cuánticas ubicadas en diferentes partes del mundo.