Investigadores de la Universidad de la Sorbona en París han logrado una transferencia altamente eficiente de entrelazamiento cuántico dentro y fuera de dos dispositivos de memoria cuántica. Este logro aporta un ingrediente clave para la escalabilidad de una futura Internet cuántica.

Una Internet cuántica que conecta múltiples ubicaciones es un paso clave en las hojas de ruta de la tecnología cuántica en todo el mundo. En este contexto, El programa insignia europeo de Quantum lanzó la Quantum Internet Alliance en 2018. Este consorcio coordinado por Stephanie Wehner (QuTech-Delft) consta de 12 grupos de investigación líderes en universidades de ocho países europeos. en estrecha colaboración con más de 20 empresas e institutos. Combinaron sus recursos y áreas de experiencia para desarrollar un plan para una futura Internet cuántica y las tecnologías requeridas.

Una Internet cuántica utiliza un fenómeno cuántico intrigante para conectar diferentes nodos en una red. En una conexión de red normal, los nodos intercambian información enviando electrones o fotones de un lado a otro, haciéndolos vulnerables a las escuchas. En una red cuántica, los nodos están conectados por entrelazamiento, La famosa "acción espeluznante a distancia" de Einstein. Estas correlaciones no clásicas a grandes distancias permitirían no solo comunicaciones seguras más allá de la transmisión directa, sino también computación cuántica distribuida o detección mejorada.

Sin embargo, Un desafío importante en la construcción de redes cuánticas a gran escala es la capacidad de generar tales correlaciones entre nodos distantes. En principio, este desafío puede superarse si el entrelazamiento se almacena de forma fiable en dispositivos de memoria cuántica. Al dividir la larga distancia en varios segmentos más cortos, es posible crear un enredo entre los extremos de estos eslabones elementales, y luego conéctelos hasta que ambos nodos iniciales estén entrelazados. Los dispositivos de memoria cuántica almacenan el entrelazamiento, asegurándose de que se haya creado un enredo en todos los segmentos antes de realizar las conexiones. Este protocolo se conoce como repetidor cuántico.

Un parámetro crítico es la eficiencia de los dispositivos de memoria cuántica:si un dispositivo falla al grabar o recuperar la luz entrelazada, el repetidor cuántico no puede funcionar correctamente. Por ejemplo, un aumento en la eficiencia de almacenamiento y recuperación del 60% al 90% reduce drásticamente el tiempo promedio para la distribución de enredos en una distancia de 600 kilómetros, típicamente por dos órdenes de magnitud. Uno de los objetivos del consorcio QIA es sentar las bases para la tecnología de repetidores cuánticos mediante la construcción de dispositivos de memoria altamente eficientes para el entrelazamiento utilizando diferentes plataformas físicas.

En la edición en línea de octubre de 2020 de Optica , El profesor Julien Laurat y su equipo en el Laboratorio Kastler Brossel (Sorbonne Université, CNRS, ENS-Université PSL, Collège de France) informó de un paso largamente esperado para este esfuerzo. Han demostrado el almacenamiento y la recuperación de haces de luz entrelazados en dos dispositivos de memoria cuántica, con una eficiencia general de hasta el 85%. Este valor constituye un aumento de más de tres veces en relación con trabajos anteriores en el campo.

"Este logro es el resultado de 10 años de desarrollos experimentales en nuestro laboratorio. Ahora abre el camino a una mayor investigación, ya que muchas arquitecturas de red potenciales asumen tal valor de eficiencia para la escalabilidad, "dice Félix Hoffet, un doctorado estudiante de LKB y uno de los principales autores del artículo.

El experimento de París involucró un conjunto muy alargado de átomos de cesio enfriados por láser y se basó en el protocolo llamado transparencia inducida electromagnéticamente. Un rayo láser de control hace que el medio sea transparente y ralentiza la luz de señal que incide que transporta la información. Cuando la señal está contenida dentro del conjunto y el haz de control está apagado, la información se convierte en una excitación colectiva de los átomos, que se almacena hasta que los haces de control se encienden de nuevo. El equipo de Laurat generó primero dos haces de luz que están entrelazados y luego los mapeó en dos memorias siguiendo este protocolo. Al usar transiciones atómicas específicas y alcanzar una absorción muy grande en cada memoria, los investigadores pudieron escribir y leer el entrelazamiento con una eficiencia sin precedentes, conservando una contaminación acústica muy baja.

"Nuestra eficiencia récord primero requirió un gran esfuerzo teórico para comprender mejor los factores limitantes en nuestra implementación anterior y luego un tour-de-force experimental para combinar todos los ingredientes requeridos juntos, "agrega Mingtao Cao, ex becario postdoctoral Marie Curie y el otro autor principal del artículo. Alexandra Sheremet, ex becario Marie Curie y también autor del artículo, jugó un papel clave en la simulación de todo el proceso y teniendo en cuenta la complejidad de múltiples niveles de energía en este sistema atómico.

El trabajo reportado en Optica es un trampolín para futuras investigaciones. Sin embargo, el camino para la construcción de redes a gran escala todavía está lleno de desafíos. Por ejemplo, Los dispositivos de memoria cuántica eficientes también deben tener tiempos de almacenamiento prolongados para crear un entrelazamiento más rápido de lo que se pierde. Esta característica crítica también puede venir con la capacidad de almacenar información diferente en paralelo. El consorcio QIA está abordando estos diversos aspectos, tanto teórica como experimentalmente. El equipo del profesor Laurat en París se centra, por ejemplo, en el desarrollo de memorias "multiplexadas espacialmente" que pueden almacenar varios estados al mismo tiempo para paralelizar las conexiones cuánticas.