Los investigadores del Laboratorio Kastler Brossel en París han logrado implementar un nuevo protocolo de intercambio de entrelazamientos "híbridos". poner al alcance la conexión de plataformas dispares en un futuro, estructurado heterogéneamente, internet cuántico.

En el 29 de mayo ^th edición en línea de Avances de la ciencia , El profesor Julien Laurat y sus colegas de LKB (Sorbonne Université, CNRS, ENS-Université PSL, Collège de France), con colaboradores en NIST Boulder, han anunciado un paso importante hacia el desarrollo de redes cuánticas heterogéneas. El equipo ha demostrado una forma de conectar diferentes tipos de nodos cuánticos que no se basan necesariamente en el mismo tipo de codificación. Habilitar este tipo de enlace es un requisito crucial para la interconexión de diferentes plataformas físicas que pueden realizar tareas dedicadas mejoradas cuánticamente.

Las redes cuánticas están compuestas por sistemas cuánticos ubicados en nodos distantes y conectados a través de correlaciones no clásicas conocidas como entrelazamiento, la "acción espeluznante a distancia". Se cree que superan a las redes clásicas actuales en tareas que van desde la comunicación cuántica segura hasta mediciones mejoradas. De manera similar a las redes clásicas, donde la información se puede codificar en dos codificaciones digitales o analógicas distintas según las tareas en cuestión, Las redes cuánticas pueden depender de dos tipos de codificaciones, como lo ejemplifica la dualidad partícula-onda. Por un lado, El lado uno puede favorecer la naturaleza de partículas de los bits cuánticos (o qubits) en una codificación similar a la digital, y se conoce como "variable discreta". Por otra parte, uno podría preferir usar la "variable continua, "análogo, codificación que se deriva de la naturaleza ondulada de las partículas, una consecuencia bien conocida de la mecánica cuántica.

En redes cuánticas, la conexión de nodos distantes se realiza mediante una operación específica llamada intercambio de entrelazamiento. Este procedimiento permite conectar sistemas que nunca antes habían interactuado mediante el uso de una medición especializada entre otros dos recursos entrelazados por separado con los sistemas involucrados. Esta operacion, conocida como medición de estado de campana, efectivamente transfiere —o "teletransporta" - el entrelazamiento a los sistemas finales. Sin embargo, por la fragilidad del enredo, implementar un protocolo tan fundamental para el establecimiento de conexiones cuánticas es un verdadero desafío para los físicos. Para lograr la transferencia de entrelazamiento y la conexión entre diferentes tipos de nodos, Es necesario producir dos estados altamente entrelazados, en particular un estado "entrelazado híbrido" entre qubits en forma de partículas y en forma de onda. El equipo de LKB se ha propagado con éxito, de estas dos fuentes, entrelazamiento entre diferentes estados de luz que nunca interactuaron directamente.

"Este trabajo es un trampolín para futuras investigaciones sobre la implementación de redes cuánticas heterogéneas, "dice Tom Darras, estudiante de posgrado en LKB y uno de los principales autores del artículo. "Hasta aquí, dos comunidades estaban desarrollando comunicación cuántica utilizando diferentes rutas. Ahora que se ha construido el puente, esperamos ver aprovechando las ventajas de cada rama, la aparición de nuevos escenarios híbridos que van mucho más allá de los desarrollos actuales ".

Los dos estados ópticos entrelazados involucrados en el experimento se diseñaron utilizando osciladores paramétricos ópticos, que son fuentes no lineales eficientes. Un estado entrelazado se obtiene "dividiendo" un solo fotón entre dos caminos diferentes, sin saber qué camino se sigue. El otro es un estado "entrelazado híbrido" entre un qubit óptico de variable discreta y un qubit óptico de gato de Schrödinger de variable continua, en referencia al experimento Gekanden de Schrödinger que acopla un objeto macroscópico a un sistema cuántico. Una vez que se genera el enredo a través de un proceso de presagio, luego se intercambia a través de una medición de estado de campana híbrida única. Los autores han logrado cada paso de esta demostración, desde la creación de los estados entrelazados iniciales hasta la caracterización completa del entrelazamiento después de la operación de intercambio.

"Toda la experiencia del equipo en enredos de ingeniería, junto con herramientas de última generación para la generación y caracterización de estados cuánticos, fue fundamental para el éxito del protocolo ", añade Giovanni Guccione, un becario postdoctoral Marie Curie que también es uno de los autores principales del estudio.

Además de la creación de un vínculo entre usuarios dispares, el experimento es un paso clave hacia la construcción de redes escalables. "El enredo es un recurso intrínsecamente frágil, lo que significa que su distribución a grandes distancias representa un desafío importante", señala Adrien Cavaillès, becario postdoctoral y autor correspondiente del artículo. "A medida que amplía el rango de distribución accesible, el protocolo de intercambio de entrelazamiento realizado por el grupo es una capacidad crucial para las futuras redes cuánticas híbridas a gran escala ".

El trabajo reportado en Avances de la ciencia es un gran logro hacia la interconexión de diferentes plataformas físicas. Sin embargo, los investigadores también enfatizan que "aunque la capacidad de conectar nodos cuánticos de diferente naturaleza está ahora disponible, la conexión está por el momento solo limitada a sistemas ópticos, y necesita extenderse a muchas otras plataformas físicas ". Una red cuántica heterogénea completamente funcional aún requiere un progreso significativo en la ingeniería y transferencia de entrelazamiento entre diferentes sistemas de materia.

Esta demostración se basa en los avances previos en el grupo del profesor Laurat en los últimos años, desde la primera demostración del entrelazamiento híbrido entre qubits en forma de partículas y ondas hasta la ingeniería de estados híbridos y su uso en protocolos de información cuántica, ya sea para preparación de estado remoto o certificación de seguridad.

Los otros autores son Hanna Le Jeannic, un estudiante de posgrado anterior en LKB, Varun B. Verma y Sae Woo Nam, colaboradores en NIST Boulder. Este trabajo ha sido apoyado por el Consejo Europeo de Investigación, la Agencia Nacional de Investigación de Francia (proyecto Hy-Light), Sorbonne Université y Région Ile-de-France en el marco del DIM Sirteq.

El título del artículo es "Conexión de redes cuánticas heterogéneas mediante intercambio de entrelazamientos híbridos". Está disponible el 29 de mayo ^th edición en línea de Avances de la ciencia .