La primera revolución cuántica trajo consigo la electrónica de semiconductores, el láser y finalmente Internet. La venida, La segunda revolución cuántica promete una comunicación a prueba de espías, sensores cuánticos extremadamente precisos y computadoras cuánticas para tareas informáticas que antes no tenían solución. Pero esta revolución aún está en pañales. Un objeto de investigación central es la interfaz entre los dispositivos cuánticos locales y los cuantos de luz que permiten la transmisión remota de información cuántica altamente sensible. El grupo de Otto-Hahn "Quantum Networks" en el Max-Planck-Institute of Quantum Optics en Garching está investigando un "módem cuántico". El equipo ha logrado ahora un primer avance en una tecnología relativamente simple pero altamente eficiente que se puede integrar en las redes de fibra óptica existentes. El trabajo se publica esta semana en Revisión física X .

La pandemia de Corona es un recordatorio diario de lo importante que se ha vuelto Internet. La red mundial, una vez un subproducto de la investigación física básica, ha cambiado radicalmente nuestra cultura. ¿Podría una Internet cuántica convertirse en la próxima gran innovación de la física?

Todavía es demasiado pronto para responder a esa pregunta, pero la investigación básica ya está trabajando en Internet cuántica. Muchas aplicaciones serán más especializadas y menos sensuales que las videoconferencias, pero la importancia de la comunicación de larga distancia absolutamente a prueba de espías es comprensible para todos. "En el futuro, una Internet cuántica podría usarse para conectar computadoras cuánticas ubicadas en diferentes lugares, Andreas Reiserer dice:"lo que aumentaría considerablemente su poder de cómputo!" El físico dirige el grupo de investigación independiente Otto-Hahn "Quantum Networks" en el Max-Planck-Institute of Quantum Optics en Garching.

Por lo tanto, una Internet cuántica se trata esencialmente de la red global de nuevas tecnologías que hacen un uso mucho más consecuente de la física cuántica que nunca. Sin embargo, esto requiere interfaces adecuadas para la información cuántica extremadamente sensible. Este es un enorme desafío técnico, razón por la cual tales interfaces son un foco central de la investigación fundamental. Deben asegurarse de que los bits cuánticos estacionarios (qubits para abreviar) interactúen de manera eficiente con los qubits "voladores" para la comunicación a larga distancia sin destruir la información cuántica. Los qubits estacionarios se ubicarán en dispositivos locales, por ejemplo, como la memoria o el procesador de una computadora cuántica. Los qubits voladores son típicamente cuantos ligeros, fotones, que transportan la información cuántica a través del aire, un vacío de espacio o mediante redes de fibra óptica.

Conexión delicada entre bits cuánticos

El "módem cuántico" está diseñado para establecer de manera eficiente una conexión entre qubits voladores y estacionarios. Para este propósito, el equipo que rodea al estudiante de doctorado Benjamin Merkel ha desarrollado una nueva tecnología y acaba de demostrar su funcionalidad básica. Su ventaja fundamental es que podría integrarse en la red de fibra óptica de telecomunicaciones existente. Esta sería la forma más rápida de hacer avanzar una red funcional de tecnologías cuánticas a larga distancia.

Para que este sistema funcione, los fotones enviados o recibidos por el módem como portadores de información cuántica deben coincidir con precisión con la longitud de onda infrarroja de la luz láser utilizada para las telecomunicaciones. Esto significa que el módem debe tener qubits en reposo que puedan reaccionar con precisión a estos fotones infrarrojos con un salto cuántico. Solo de esta manera la información cuántica sensible puede transmitirse directamente entre los qubits en reposo y los qubits voladores.

Una extensa investigación realizada por el grupo de Garching mostró que el elemento erbio es el más adecuado para este propósito. Sus electrones pueden realizar un salto cuántico perfectamente coincidente. Desafortunadamente, los átomos de erbio son muy reacios a dar este salto cuántico. Por lo tanto, deben estar fijados en un entorno que los obligue a reaccionar más rápidamente. Para resolver este problema, los átomos de erbio y los fotones infrarrojos se encierran en un espacio adecuado durante el mayor tiempo posible. "Puedes pensar en ello como una fiesta, que debe estimular la mejor comunicación posible entre, digamos, diez invitados, "Reiserer explica. El tamaño del espacio es crucial aquí." En un estadio de fútbol los invitados se perderían, una cabina telefónica a su vez sería demasiado pequeña, "continúa el físico, "pero una sala de estar estaría bien".

La fiesta, sin embargo, se acabaría rápidamente porque los fotones viajan a la velocidad de la luz y, por tanto, son muy volátiles y siempre están tentados a marcharse. Ésta es la razón por la que el módem cuántico de Garching utiliza un pequeño armario con espejo como "sala de estar". el equipo empaquetó los átomos en un cristal transparente hecho de un compuesto de silicato de itrio, que es cinco veces más delgado que un cabello humano. Este cristal Sucesivamente, se coloca como un bocadillo extendido entre dos espejos casi perfectos. Para eliminar la oscilación térmica de los átomos, que es destructivo para la información cuántica, todo el conjunto se enfría a menos 271 ° C.

Ping-pong de fotones en el armario del espejo

Los fotones atrapados entre los espejos se reflejan hacia adelante y hacia atrás a través del cristal como pelotas de ping-pong. Pasan los átomos de erbio con tanta frecuencia que los átomos tienen tiempo suficiente para reaccionar con un salto cuántico. En comparación con una situación sin un armario con espejo, esto sucede de manera mucho más eficiente y casi sesenta veces más rápido. Desde los espejos a pesar de su perfección, también son ligeramente permeables a los fotones, el módem puede conectarse a la red.

"Estamos muy contentos con este éxito, ", Dice Reiserer. Como paso siguiente, quiere mejorar el experimento de modo que los átomos de erbio individuales puedan direccionarse como qubits mediante luz láser. Este no es solo un paso importante hacia un módem cuántico utilizable. Los átomos de erbio como qubits en un cristal pueden incluso servir directamente como un procesador cuántico, que es la parte central de una computadora cuántica. Esto haría que el módem fuera fácilmente compatible con dichos terminales cuánticos.

Con una solución tan elegante, También serían posibles "repetidores cuánticos" de construcción comparativamente simple. Cada cien kilómetros los dispositivos tendrían que compensar las crecientes pérdidas de información cuántica transportada por fotones en la red de fibra óptica. Estos "repetidores cuánticos" también son el foco de la investigación internacional. "Aunque un dispositivo de este tipo basado en nuestra tecnología costaría unos cien mil euros, el uso generalizado no sería irreal, "Dice Reiserer.

El módem cuántico de Garching sigue siendo una investigación puramente fundamental. Pero tiene el potencial de avanzar en la realización técnica de una Internet cuántica.