Los ingenieros de Caltech han demostrado que los átomos en las cavidades ópticas —cajas diminutas para la luz— podrían ser fundamentales para la creación de una Internet cuántica. Su trabajo fue publicado el 30 de marzo por la revista Naturaleza .

Las redes cuánticas conectarían computadoras cuánticas a través de un sistema que también opera en un cuántico, en lugar de clásico, nivel. En teoria, Las computadoras cuánticas algún día podrán realizar ciertas funciones más rápido que las computadoras clásicas aprovechando las propiedades especiales de la mecánica cuántica. incluida la superposición, lo que permite que los bits cuánticos almacenen información como un 1 y un 0 simultáneamente.

Como pueden hacerlo con las computadoras clásicas, A los ingenieros les gustaría poder conectar varias computadoras cuánticas para compartir datos y trabajar juntos, creando una "Internet cuántica". Esto abriría la puerta a varias aplicaciones, incluida la resolución de cálculos que son demasiado grandes para ser manejados por una sola computadora cuántica y el establecimiento de comunicaciones inquebrantables y seguras utilizando criptografía cuántica.

Para que funcione, una red cuántica necesita poder transmitir información entre dos puntos sin alterar las propiedades cuánticas de la información que se transmite. Un modelo actual funciona así:un solo átomo o ión actúa como un bit cuántico (o "qubit") almacenando información a través de uno si sus propiedades cuánticas, como girar. Para leer esa información y transmitirla a otro lugar, el átomo se excita con un pulso de luz, provocando que emita un fotón cuyo giro está entrelazado con el giro del átomo. El fotón puede luego transmitir la información entrelazada con el átomo a una larga distancia a través de un cable de fibra óptica.

Es más difícil de lo que parece sin embargo. Encontrar átomos que puedas controlar y medir, y que tampoco son demasiado sensibles a las fluctuaciones del campo magnético o eléctrico que provocan errores, o decoherencia, es un reto.

"Los emisores de estado sólido que interactúan bien con la luz a menudo son víctimas de la decoherencia; es decir, dejan de almacenar información de una manera que es útil desde la perspectiva de la ingeniería cuántica, "dice Jon Kindem (MS '17, Doctor. '19), autor principal del Naturaleza papel. Mientras tanto, los átomos de los elementos de tierras raras, que tienen propiedades que hacen que los elementos sean útiles como qubits, tienden a interactuar pobremente con la luz.

Para superar este desafío, investigadores dirigidos por Andrei Faraon de Caltech (BS '04), profesor de física aplicada e ingeniería eléctrica, construyó una cavidad nanofotónica, un haz de aproximadamente 10 micrones de longitud con nanopatrones periódicos, esculpido a partir de una pieza de cristal. Luego identificaron un ion de iterbio de tierras raras en el centro del haz. La cavidad óptica les permite hacer rebotar la luz de un lado a otro del haz varias veces hasta que finalmente es absorbida por el ion.

En el Naturaleza papel, el equipo demostró que la cavidad modifica el entorno del ion de tal manera que siempre que emite un fotón, más del 99 por ciento del tiempo que el fotón permanece en la cavidad, donde los científicos pueden recolectar y detectar eficientemente ese fotón para medir el estado del ion. Esto da como resultado un aumento en la velocidad a la que el ion puede emitir fotones, mejorar la eficacia general del sistema.

Además, los iones de iterbio pueden almacenar información en su giro durante 30 milisegundos. En este momento, la luz podría transmitir información para viajar a través de los Estados Unidos continentales. "Esto marca la mayoría de las casillas. Es un ión de tierras raras que absorbe y emite fotones exactamente de la manera que necesitaríamos para crear una red cuántica". "dice Faraon, profesor de física aplicada e ingeniería eléctrica. "Esto podría formar la tecnología de la columna vertebral de la Internet cuántica".

En la actualidad, El enfoque del equipo es crear los componentes básicos de una red cuántica. Próximo, esperan ampliar sus experimentos y conectar dos bits cuánticos, Dice Faraon.

Su artículo se titula "Control y lectura de un solo disparo de un ión incrustado en una cavidad nanofotónica".