Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han ideado y demostrado un sistema que podría aumentar drásticamente el rendimiento de las redes de comunicaciones al tiempo que permite tasas de error récord en la detección incluso de las señales más débiles. potencialmente disminuyendo la cantidad total de energía requerida para las redes de última generación en un factor de 10 a 100.

El sistema de prueba de principio consta de un receptor novedoso y la técnica de procesamiento de señales correspondiente que, a diferencia de los métodos utilizados en las redes actuales, se basan completamente en las propiedades de la física cuántica y, por lo tanto, son capaces de manejar incluso señales extremadamente débiles con pulsos que transportan muchos bits de datos.

"Construimos el banco de pruebas de comunicación utilizando componentes listos para usar para demostrar que la comunicación habilitada para la medición cuántica se puede escalar potencialmente para un uso comercial generalizado". "dijo Ivan Burenkov, un físico en el Joint Quantum Institute, una asociación de investigación entre NIST y la Universidad de Maryland. Burenkov y sus colegas informan de los resultados en Revisión física X Quantum . "Nuestro esfuerzo muestra que las mediciones cuánticas son otras valiosas, hasta ahora ventajas imprevistas para las telecomunicaciones que conducen a mejoras revolucionarias en el ancho de banda del canal y la eficiencia energética ".

Los sistemas de comunicaciones modernos funcionan convirtiendo la información en una corriente de pulsos de luz digital generada por láser en la que la información se codifica (en forma de cambios en las propiedades de las ondas de luz) para su transferencia y luego se decodifica cuando llega al receptor. El tren de pulsos se debilita a medida que viaja a lo largo de los canales de transmisión, y la tecnología electrónica convencional para recibir y decodificar datos ha alcanzado el límite de su capacidad para detectar con precisión la información en tales señales atenuadas.

El pulso de la señal puede disminuir hasta que sea tan débil como unos pocos fotones, o incluso menos de uno en promedio. En ese punto, Las inevitables fluctuaciones cuánticas aleatorias llamadas "ruido de disparo" hacen que la recepción precisa sea imposible por normal ("clásico, "a diferencia de la tecnología cuántica) porque la incertidumbre causada por el ruido constituye una gran parte de la señal disminuida. Como resultado, Los sistemas existentes deben amplificar las señales repetidamente a lo largo de la línea de transmisión. a un coste energético considerable, manteniéndolos lo suficientemente fuertes como para detectarlos de manera confiable.

El sistema del equipo de NIST puede eliminar la necesidad de amplificadores porque puede procesar de manera confiable incluso pulsos de señal extremadamente débiles:"La energía total requerida para transmitir un bit se convierte en un factor fundamental que dificulta el desarrollo de redes, "dijo Sergey Polyakov, científico senior del equipo del NIST. "El objetivo es reducir la suma de energía requerida por los láseres, amplificadores, detectores, y equipo de apoyo para transmitir información de manera confiable a distancias más largas. En nuestro trabajo aquí, demostramos que con la ayuda de la medición cuántica, incluso los pulsos de láser débiles pueden usarse para comunicar múltiples bits de información, un paso necesario hacia este objetivo ".

Para aumentar la velocidad a la que se puede transmitir la información, Los investigadores de la red están encontrando formas de codificar más información por pulso mediante el uso de propiedades adicionales de la onda de luz. Entonces, un solo pulso de luz láser, dependiendo de cómo se preparó originalmente para la transmisión, puede transportar varios bits de datos. Para mejorar la precisión de la detección, Los receptores cuánticos mejorados se pueden instalar en sistemas de red clásicos. Hasta la fecha, esas combinaciones híbridas pueden procesar hasta dos bits por pulso. El sistema cuántico NIST utiliza hasta 16 pulsos láser distintos para codificar hasta cuatro bits.

Para demostrar esa capacidad, los investigadores del NIST crearon una entrada de débiles pulsos de láser comparable a una señal de red convencional sustancialmente atenuada, con el número medio de fotones por pulso de 0,5 a 20 (aunque los fotones son partículas enteras, un número menor que uno simplemente significa que algunos pulsos no contienen fotones).

Después de preparar esta señal de entrada, los investigadores del NIST aprovechan sus propiedades onduladas, como interferencia, hasta que finalmente golpea el detector como fotones (partículas). En el ámbito de la física cuántica, la luz puede actuar como partículas (fotones) u ondas, con propiedades como frecuencia y fase (las posiciones relativas de los picos de onda).

Dentro del receptor El tren de pulsos de la señal de entrada se combina (interfiere) con un rayo láser de referencia ajustable, que controla la frecuencia y la fase de la corriente de luz combinada. Es extremadamente difícil leer los diferentes estados codificados en una señal tan débil. Por lo tanto, el sistema NIST está diseñado para medir las propiedades de todo el pulso de señal tratando de hacer coincidir exactamente las propiedades del láser de referencia. Los investigadores logran esto a través de una serie de mediciones sucesivas de la señal, cada uno de los cuales aumenta la probabilidad de una coincidencia precisa.

Eso se hace ajustando la frecuencia y la fase del pulso de referencia para que interfiera destructivamente con la señal cuando se combinan en el divisor de haz, cancelar la señal completamente para que no se puedan detectar fotones. En este esquema, el ruido de disparo no es un factor:la cancelación total no tiene incertidumbre.

Por lo tanto, contraintuitivamente, una medición perfectamente precisa da como resultado que ningún fotón llegue al detector. Si el pulso de referencia tiene la frecuencia incorrecta, un fotón puede alcanzar el detector. El receptor usa el tiempo de esa detección de fotones para predecir la frecuencia de señal más probable y ajusta la frecuencia del pulso de referencia en consecuencia. Si esa predicción sigue siendo incorrecta, el tiempo de detección del siguiente fotón da como resultado una predicción más precisa basada en ambos tiempos de detección de fotones, etcétera.

"Una vez que la señal interactúa con el haz de referencia, la probabilidad de detectar un fotón varía en el tiempo, "Burenkov dijo, "y, en consecuencia, los tiempos de detección de fotones contienen información sobre el estado de entrada. Usamos esa información para maximizar la posibilidad de adivinar correctamente después de la primera detección de fotones.

"Nuestro protocolo de comunicación está diseñado para proporcionar diferentes perfiles temporales para diferentes combinaciones de la señal y la luz de referencia. Luego, el tiempo de detección se puede utilizar para distinguir entre los estados de entrada con cierta certeza. La certeza puede ser bastante baja al principio, pero se mejora a lo largo de la medición. Queremos cambiar el pulso de referencia al estado correcto después de la primera detección de fotones porque la señal contiene solo unos pocos fotones, y cuanto más medimos la señal con la referencia correcta, mayor es nuestra confianza en el resultado ".

Polyakov discutió las posibles aplicaciones. "El futuro crecimiento exponencial de Internet requerirá un cambio de paradigma en la tecnología detrás de las comunicaciones, ", dijo." La medición cuántica podría convertirse en esta nueva tecnología. Demostramos tasas de error récord bajas con un nuevo receptor cuántico emparejado con el protocolo de codificación óptimo. Nuestro enfoque podría reducir significativamente la energía para las telecomunicaciones ".