Algunos gobernantes poderosos del mundo pueden soñar con la posibilidad de ponerse en contacto con sus colegas en diferentes continentes sin que los amigos o enemigos se den cuenta. Algún día, las nuevas tecnologías cuánticas podrían permitir hacer realidad estos deseos. Físicos de todo el mundo están trabajando en la realización de redes cuánticas a gran escala en las que los cuantos de luz individual transfieren (secreta) información cuántica a nodos estacionarios a grandes distancias. Los bloques de construcción fundamentales de tales redes cuánticas son, por ejemplo, repetidores cuánticos que contrarrestan la pérdida de información cuántica a grandes distancias, o puertas de lógica cuántica que son necesarias para procesar información cuántica.

Ahora, un equipo de científicos alrededor del profesor Gerhard Rempe, director del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica y jefe de la División de Dinámica Cuántica, ha demostrado la viabilidad de un nuevo concepto para una puerta cuántica ( Phys. Rev. X 8, 011018, 6 de febrero de 2018). Aquí, los fotones que inciden en una cavidad óptica median una interacción entre dos átomos atrapados en su interior. Esta interacción es la base para realizar operaciones de puerta características entre los átomos, por ejemplo la operación como puerta CNOT o la generación de enredo. El nuevo método ofrece una variedad de ventajas:por ejemplo, las operaciones de puerta tienen lugar en microsegundos, lo que es un activo para el procesamiento de información cuántica. También, el mecanismo de la puerta se puede aplicar a otras plataformas experimentales, y la puerta de dos átomos puede servir como un bloque de construcción en un repetidor cuántico.

El elemento central del experimento (ver figura 1) es un resonador óptico asimétrico de alta finura, que consta de un espejo de alta reflexión (izquierda) y un espejo con una transmisión finita (derecha). Dos átomos de rubidio eléctricamente neutros están atrapados en el centro de la cavidad. Cada átomo lleva un qubit, es decir, información cuántica que está codificada en la superposición de dos estados fundamentales estables que corresponden a los bits clásicos "0" y "1". "Uno de los estados fundamentales está en resonancia con el campo de luz de la cavidad. Por lo tanto, los átomos y la cavidad forman un sistema fuertemente acoplado, "Stephan Welte explica, quien trabaja en el experimento de su tesis doctoral. "Es por eso que los átomos pueden comunicarse entre sí. Este proceso no puede tener lugar en el espacio libre".

Para ejecutar la puerta, los fotones individuales se envían al espejo semitransparente. Luego, dependiendo de los estados iniciales de los átomos, son posibles diferentes escenarios. "Cuando ambos átomos están en el estado de no acoplamiento, el fotón puede entrar en la cavidad, y se forma una onda de luz estacionaria entre los dos espejos, "dice Bastian Hacker, otro candidato a doctorado en el experimento. "Los átomos pueden comunicarse a través de este campo de luz:si está presente, la fase de los qubits almacenados se rota 180 grados ". En todos los demás casos, si uno o ambos átomos están en resonancia con los modos de cavidad, el fotón se bloquea de la cavidad, y el estado de los átomos no adquiere un cambio de fase.

Estos efectos se utilizan para ejecutar operaciones matemáticas básicas (puertas cuánticas) entre los dos átomos, como lo demuestra el equipo de Garching con dos operaciones de puerta características. Por un lado, los científicos muestran que su configuración experimental puede funcionar como una puerta NO C (controlada) típica:aquí el estado de entrada del qubit (control) decide si el estado del otro (objetivo) se está cambiando o no. Para demostrar esta funcionalidad, la operación de la puerta se ejecuta en un conjunto de cuatro estados de entrada ortogonales, y en cada caso se determina el estado de salida resultante. De estas medidas se deriva una tabla que se asemeja a una puerta XOR clásica.

Por otra parte, en otra serie de mediciones, los científicos prueban la creación de estados de salida entrelazados cuánticos a partir de dos átomos inicialmente independientes. "Para tal fin, los átomos están preparados en una superposición coherente de ambos estados fundamentales, "Señala Stephan Welte." Por lo tanto, ambos casos - que el fotón entra en la cavidad y que es rechazado - están superpuestos mecánicamente cuántica, y la operación de la puerta conduce al entrelazamiento de los átomos ".

"El mecanismo subyacente a la operación de la puerta es muy simple y elegante porque solo comprende un paso físico. A diferencia de otros mecanismos de puerta, la distancia entre los qubits, en nuestro caso de 2 a 12 micrómetros, no importa en absoluto, "Bastian Hacker enfatiza". Además, nuestra puerta no se basa en la plataforma específica de los átomos de rubidio. También podría aplicarse a muchos otros tipos de átomos, iones o, por ejemplo, puntos cuánticos de estado sólido que transportan información cuántica ". El profesor Gerhard Rempe incluso prevé más extensiones del sistema." Consideramos colocar varios átomos, en lugar de solo dos, en la cavidad. Nuestro mecanismo de puerta podría operar en muchos de ellos al mismo tiempo ". En una red cuántica a gran escala, Los nodos de varios qubits podrían servir como pequeñas computadoras cuánticas que realizan cálculos básicos y envían sus resultados a otros nodos.