Una Internet cuántica podría usarse para enviar mensajes imposibles de piratear, mejorar la precisión del GPS, y habilitar la computación cuántica basada en la nube. Durante más de veinte años, Los sueños de crear una red cuántica de este tipo han permanecido fuera de alcance en gran parte debido a la dificultad de enviar señales cuánticas a través de grandes distancias sin pérdidas.

Ahora, Los investigadores de Harvard y del MIT han encontrado una forma de corregir la pérdida de señal con un prototipo de nodo cuántico que puede captar, almacenar y entrelazar bits de información cuántica. La investigación es el eslabón perdido hacia una Internet cuántica práctica y un gran paso adelante en el desarrollo de redes cuánticas de larga distancia.

"Esta demostración es un avance conceptual que podría extender el rango más largo posible de redes cuánticas y potencialmente permitir muchas aplicaciones nuevas de una manera que es imposible con cualquier tecnología existente". "dijo Mikhail Lukin, el profesor de física George Vasmer Leverett y codirector de Harvard Quantum Initiative. "Esta es la realización de un objetivo que ha sido perseguido por nuestra comunidad de ingeniería y ciencia cuántica durante más de dos décadas".

La investigación se publica en Naturaleza .

Todas las formas de tecnología de la comunicación, desde el primer telégrafo hasta la Internet de fibra óptica actual, han tenido que abordar el hecho de que las señales se degradan y se pierden cuando se transmiten a distancias. Los primeros repetidores, que reciben y amplifican señales para corregir esta pérdida, fueron desarrollados para amplificar las señales telegráficas de cables que se desvanecen a mediados del siglo XIX. Doscientos años después, Los repetidores son una parte integral de nuestra infraestructura de comunicaciones de larga distancia.

En una red clásica, si Alice en Nueva York quiere enviar un mensaje a Bob en California, el mensaje viaja de costa a costa en más o menos línea recta. Por el camino, la señal pasa por repetidores, donde se lee, amplificado y corregido por errores. Todo el proceso es vulnerable a los ataques en cualquier momento.

Si Alice quiere enviar un mensaje cuántico, sin embargo, el proceso es diferente. Las redes cuánticas utilizan partículas cuánticas de luz (fotones individuales) para comunicar estados cuánticos de luz a largas distancias. Estas redes tienen un truco que los sistemas clásicos no tienen:el entrelazamiento.

El entrelazamiento, lo que Einstein llamó "acción espeluznante a distancia", permite que fragmentos de información estén perfectamente correlacionados a cualquier distancia. Debido a que los sistemas cuánticos no se pueden observar sin cambiar, A Alice le vendría bien el enredo para enviar un mensaje a Bob sin miedo a los espías. Esta noción es la base de aplicaciones como la criptografía cuántica:seguridad garantizada por las leyes de la física cuántica.

Comunicación cuántica a largas distancias, sin embargo, también se ve afectado por las pérdidas de fotones convencionales, que es uno de los principales obstáculos para la realización de Internet cuántica a gran escala. Pero, el mismo principio físico que hace que la comunicación cuántica sea ultrasegura también hace que sea imposible utilizar los existentes, repetidores clásicos para arreglar la pérdida de información.

¿Cómo se puede amplificar y corregir una señal si no se puede leer? La solución a esta tarea aparentemente imposible implica un llamado repetidor cuántico. A diferencia de los repetidores clásicos, que amplifican una señal a través de una red existente, Los repetidores cuánticos crean una red de partículas entrelazadas a través de las cuales se puede transmitir un mensaje.

En esencia, un repetidor cuántico es un pequeño, Computadora cuántica de propósito especial. En cada etapa de dicha red, Los repetidores cuánticos deben poder capturar y procesar bits cuánticos de información cuántica para corregir errores y almacenarlos el tiempo suficiente para que el resto de la red esté lista. Hasta ahora, eso ha sido imposible por dos razones:Primero, los fotones individuales son muy difíciles de captar. Segundo, la información cuántica es notoriamente frágil, lo que hace que sea muy difícil de procesar y almacenar durante largos períodos de tiempo.

Laboratorio de Lukin, en colaboración con Marko Loncar, el profesor Tiantsai Lin de ingeniería eléctrica en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS),

Parque Hongkun, Mark Hyman Jr. Profesor de Química en la Facultad de Artes y Ciencias de Harvard (FAS), y Dirk Englund, Profesor Asociado de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), ha estado trabajando para aprovechar un sistema que pueda realizar bien estas dos tareas:centros de color de vacantes de silicio en diamantes.

Estos centros son pequeños defectos en la estructura atómica de un diamante que pueden absorber e irradiar luz. dando lugar a los colores brillantes de un diamante.

"Durante los últimos años, nuestros laboratorios han estado trabajando para comprender y controlar los centros de color de vacantes de silicio individuales, particularmente sobre cómo usarlos como dispositivos de memoria cuántica para fotones individuales, "dijo Mihir Bhaskar, estudiante de posgrado en el grupo Lukin.

Los investigadores integraron un centro de color individual en una cavidad de diamante nanofabricada, que confina los fotones portadores de información y los obliga a interactuar con el centro de color único. Luego colocaron el dispositivo en un refrigerador de dilución, que alcanza temperaturas cercanas al cero absoluto, y envió fotones individuales a través de cables de fibra óptica al refrigerador, donde fueron capturados y atrapados de manera eficiente por el centro de color.

El dispositivo puede almacenar la información cuántica durante milisegundos, el tiempo suficiente para que la información se transporte a lo largo de miles de kilómetros. Se utilizaron electrodos incrustados alrededor de la cavidad para enviar señales de control para procesar y preservar la información almacenada en la memoria.

"Este dispositivo combina los tres elementos más importantes de un repetidor cuántico:una memoria larga, la capacidad de capturar información de manera eficiente a partir de fotones, y una forma de procesarlo localmente, "dijo Bart Machielse, estudiante de posgrado en el Laboratorio de Óptica a Nanoescala. "Cada uno de esos desafíos se ha abordado por separado, pero ningún dispositivo ha combinado los tres".

"En la actualidad, estamos trabajando para ampliar esta investigación mediante el despliegue de nuestras memorias cuánticas en real, enlaces de fibra óptica urbanos, "dijo Ralf Riedinger, candidato postdoctoral en el grupo Lukin. "Planeamos crear grandes redes de memorias cuánticas entrelazadas y explorar las primeras aplicaciones de la Internet cuántica".

"Esta es la primera demostración a nivel de sistema, combinando importantes avances en nanofabricación, fotónica y control cuántico, que muestra una clara ventaja cuántica para comunicar información utilizando nodos repetidores cuánticos. Esperamos comenzar a explorar nuevos aplicaciones únicas que utilizan estas técnicas, "dijo Lukin.