Los físicos de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia han desarrollado un dispositivo de memoria atómica holográfica capaz de generar fotones individuales bajo demanda en grupos de varias docenas o más. El dispositivo, demostrado con éxito en la práctica, supera uno de los obstáculos fundamentales para la construcción de una computadora cuántica.

Completamente seguro, La comunicación cuántica de alta velocidad y la computación cuántica se encuentran entre las posibles aplicaciones de esta nueva fuente de fotones individuales. Es el primer dispositivo que permite la producción bajo demanda de un grupo de fotones controlado con precisión, a diferencia de uno solo.

"En comparación con las soluciones e ideas existentes, nuestro dispositivo es mucho más eficiente y permite la integración a mayor escala. En el sentido funcional, incluso se puede pensar en él como el primer equivalente de un pequeño circuito integrado que funciona con fotones individuales, "explica el Dr. Wojciech Wasilewski (UW Physics), uno de los autores de un artículo publicado en Cartas de revisión física .

Las primeras fuentes de fotón único se inventaron en la década de 1970, y aunque los muchos tipos que existen hoy en día todavía tienen muchos inconvenientes, los fotones individuales se utilizan con éxito en protocolos de comunicación cuántica que garantizan la total confidencialidad. Sin embargo, para poder realizar cálculos cuánticos complejos se requieren grupos de fotones.

El método más simple de generar grupos de fotones es utilizar una cantidad suficientemente grande de fuentes. Los dispositivos actuales aprovechan el fenómeno de la conversión descendente paramétrica espontánea (SPDC). Bajo ciertas condiciones, un fotón generado por un láser se puede dividir en dos nuevos, cada uno con la mitad de la cantidad de energía, y con todas las demás propiedades vinculadas por los principios de conservación de energía e impulso. Por lo tanto, cuando la información está codificada en uno de los fotones del par, se conocen las propiedades del otro fotón, que, sin embargo, permanecen inalteradas por la observación y, por lo tanto, son perfectamente adecuadas para las operaciones cuánticas. Desafortunadamente, cada fuente de SPDC genera fotones individuales lenta y aleatoriamente.

En 2013, un equipo de físicos de las universidades de Oxford y Londres propuso un protocolo mucho más eficiente para generar grupos de fotones. La idea era colocar una memoria cuántica en cada fuente, que sería capaz de almacenar fotones emitidos, que luego podría ser liberado en el mismo momento. Los cálculos mostraron que la escala de tiempo requerida para emitir un grupo de 10 fotones se acortaría en la friolera de 10 órdenes de magnitud, de años a microsegundos.

La fuente desarrollada por los físicos de la Universidad de Varsovia representa la primera implementación de este concepto. Aquí, todos los fotones se crean inmediatamente dentro de la memoria cuántica como resultado de un pulso láser que dura solo microsegundos. Ya no se requieren fuentes externas de fotones individuales, y el número necesario de memorias cuánticas se reduce a solo una.

"Toda nuestra configuración experimental ocupa aproximadamente dos metros cuadrados de la superficie de nuestra mesa óptica. Pero los eventos más importantes tienen lugar en la propia memoria, en un cilindro de vidrio de aproximadamente 10 cm de largo y 2,5 cm de diámetro. Cualquiera que pueda esperar ver dentro del cilindro un diseño sofisticado se sentirá muy decepcionado:el interior de la celda está lleno solo con pares de átomos de rubidio 87Rb a 60 a 80 grados Celsius ", dice Michal Dabrowski, un doctorado estudiante en UW Physics.

El dispositivo es una memoria espacialmente multimodo:se pueden colocar fotones individuales, almacenado procesado y leído en diferentes áreas dentro del cilindro, actuando como cajones de memoria separados. La operación de escritura, realizado con un rayo láser, funciona preservando un holograma en forma de excitaciones atómicas. Iluminar el sistema con el láser permite a los investigadores reconstruir el holograma y leer el contenido de la memoria.

En los experimentos, la nueva fuente generó un grupo de hasta 60 fotones. Los cálculos muestran que en condiciones realistas, el uso de láseres de mayor potencia podría aumentar este número hasta varios miles. (Los cálculos involucrados en el análisis de datos de este experimento fueron de tal complejidad que requirieron la potencia de cálculo de 53, 000 núcleos de red de la PL-Grid Infrastructure).

Debido al ruido, pérdidas y otros procesos parasitarios, la memoria cuántica de UW Physics puede almacenar fotones desde varios hasta decenas de microsegundos. Aunque este período parece insignificante, existen sistemas que permiten realizar operaciones sencillas sobre fotones en nanosegundos. En la nueva memoria cuántica, los investigadores pueden, en principio, realizar varios cientos de operaciones en cada fotón, que es suficiente para la comunicación cuántica y el procesamiento de información.

Tener una fuente de trabajo de grandes grupos de fotones es un paso importante hacia la construcción de un tipo de computadora cuántica capaz de realizar cálculos en mucho menos tiempo que las mejores máquinas informáticas modernas. Muchos años atrás, Se demostró que la realización de operaciones ópticas lineales simples en fotones puede aumentar la velocidad de la computación cuántica. La complejidad de estos cálculos depende del número de fotones procesados ​​simultáneamente. Sin embargo, las limitaciones de las fuentes de grandes grupos de fotones impidieron el desarrollo de la computadora cuántica lineal, limitándolos a operaciones matemáticas elementales.

Además de los cálculos cuánticos, el circuito integrado fotónico puede ser útil en la comunicación cuántica. En la actualidad, esto implica enviar fotones individuales utilizando una fibra óptica. La nueva fuente permitiría que muchos fotones ingresen a la fibra óptica simultáneamente, y por tanto aumentaría la capacidad de los canales cuánticos.