Cada punto en la esfera de esta representación visual de estados qubit de intervalos de frecuencia arbitrarios corresponde a un estado cuántico único, y las secciones grises representan los resultados de la medición. La vista ampliada ilustra ejemplos de tres estados cuánticos trazados junto a sus objetivos ideales (puntos azules). Crédito:Joseph Lukens y Adam Malin / ORNL, Departamento de Energía de EE. UU.
Pocos términos son más omnipresentes en la arena científica en estos días que "cuántico".
Las tecnologías basadas en las leyes notoriamente complicadas de la mecánica cuántica prometen hacer que las computadoras sean mucho más potentes que las supercomputadoras más rápidas de la actualidad. comunicaciones seguras imposibles de piratear y capacidades de detección sin precedentes necesarias para futuros descubrimientos científicos.
Pero para que estas tecnologías vean la luz del día, Los investigadores deben desarrollar redes de comunicaciones cuánticas eficientes que conecten dispositivos cuánticos al tiempo que preservan los delicados estados de las partículas utilizadas para transmitir información.
Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía, junto con colegas de la Universidad de Purdue, ha dado un paso importante hacia este objetivo al aprovechar la frecuencia, o color, de luz. Tales capacidades podrían contribuir a redes cuánticas más prácticas y a gran escala exponencialmente más poderosas y seguras que las redes clásicas que tenemos hoy.
Específicamente, el equipo está aprovechando las propiedades de la luz y los principios de la mecánica cuántica para transferir información, haciendo de la propia red un procesador de información cuántica fotónica. Este enfoque es prometedor por varias razones.
Para principiantes, los fotones viajan a la velocidad de la luz, permitiendo que la información llegue del punto A al punto B lo más rápido posible. Los fotones generalmente no interactúan entre sí o con el entorno circundante, Asegurarse de que la información no se altere ni se corrompa durante el transporte. "La luz es realmente la única opción viable para las comunicaciones cuánticas a largas distancias, "dijo el líder del proyecto Joseph Lukens, un científico investigador de ORNL, Miembro de Wigner y ganador del premio DOE Early Career Award que ayudó a detallar los resultados del equipo en Cartas de revisión física .
El equipo usó luz para producir qubits de intervalos de frecuencia, o fotones individuales que residen en dos frecuencias diferentes simultáneamente, para demostrar operaciones de comunicaciones completamente arbitrarias en codificación de frecuencia por primera vez. Si bien la codificación de frecuencia y el entrelazamiento aparecen en muchos sistemas y son naturalmente compatibles con la fibra óptica, Tradicionalmente, el uso de estos fenómenos para realizar operaciones de procesamiento y manipulación de datos ha resultado difícil. Tales operaciones, sin embargo, son necesarios para las funciones de red básicas en las comunicaciones cuánticas y, por extensión, la realización de una amplia gama de tecnologías cuánticas.
Usando una tecnología desarrollada en ORNL conocida como procesador de frecuencia cuántica, los investigadores demostraron puertas cuánticas ampliamente aplicables, o las operaciones lógicas necesarias para realizar protocolos de comunicación cuántica. En estos protocolos, los investigadores deben poder manipular fotones de una manera definida por el usuario, a menudo en respuesta a mediciones realizadas en partículas en otras partes de la red. Considerando que las operaciones tradicionales utilizadas en las tecnologías de las comunicaciones y las computadoras clásicas, como Y y O, operar en ceros y unos digitales individualmente, Las puertas cuánticas operan en superposiciones simultáneas de ceros y unos, mantener la información cuántica protegida a medida que pasa, un fenómeno necesario para realizar verdaderas redes cuánticas.
Al demostrar que su configuración podría transformar cualquier estado de qubit en un estado de qubit diferente, el equipo demostró una transferencia de información práctica. "Si puede realizar operaciones arbitrarias, puede hacer cualquiera de los protocolos de comunicación cuántica fundamentales, como el enrutamiento basado en la conversión de frecuencia, "dijo Lukens.
El suyo es uno de los muchos sistemas diferentes, pero entre los más prometedores considerando los resultados. Como ejemplo, el equipo demostró con éxito más del 98% de fidelidad, una medida cuantitativa de precisión, utilizando su configuración personalizada.
Si bien las redes cuánticas de intervalos de frecuencia han sido históricamente difíciles de controlar, la caja de herramientas del equipo, Lukens dijo, lo hace mucho más controlable. No solo eso, es un sistema producido naturalmente que se traduce bien en la fibra óptica existente. De hecho, el sistema se diseñó utilizando componentes de telecomunicaciones clásicos, como moduladores de fase. Estos factores hacen que la tecnología sea menos costosa y más atractiva para las industrias que buscan aplicarla. Es más, Este efecto dominó avanza las comunicaciones clásicas y cuánticas simultáneamente, avanzando así los métodos del equipo y posiblemente acercando las redes cuánticas a gran escala un paso más a la realidad.
Su próximo experimento consistirá en implementar su sistema en un circuito integrado fotónico. "Hay muchas aplicaciones imprevistas, ", dijo Lukens." La codificación de frecuencia es producida naturalmente por muchos sistemas diferentes, y se adapta muy bien a la fibra óptica, por lo que el espacio de aplicación potencial debe ser amplio ".
