Cifrar datos de una manera que garantice una comunicación segura es un desafío cada vez mayor porque los componentes cruciales de los sistemas de cifrado actuales no pueden resistir las futuras computadoras cuánticas. Por lo tanto, investigadores de todo el mundo están trabajando en tecnologías para nuevos métodos de cifrado que también se basan en efectos cuánticos. El fenómeno del llamado entrelazamiento cuántico juega aquí un papel particularmente importante. Esto significa que en una red cuántica, los qubits estacionarios de la red se entrelazan con el canal de comunicación, que generalmente consta de fotones (partículas de luz). Por primera vez, Los físicos de la Universidad de Bonn ahora han podido demostrar el entrelazamiento cuántico entre un qubit estacionario, es decir, un sistema cuántico de dos estados, y un fotón con acoplamiento directo a una fibra óptica. El estudio ha sido publicado en la revista npj Información cuántica .

Los sistemas cuánticos se originan en el mundo de las partículas y las estructuras más pequeñas y pueden ser relevantes para las tecnologías futuras. Si diferentes portadores de información cuántica (nodos cuánticos) están interconectados por canales cuánticos, los investigadores hablan de redes cuánticas. Desde el 2009, Los científicos de la Universidad de Bonn han estado trabajando en la realización de un nodo de red cuántica en el que un solo ión como qubit de memoria se acopla a un resonador óptico como interfaz luz-materia.

Sin embargo, para la distribución de información cuántica en una red, los qubits estacionarios de la red deben estar entrelazados con el canal de comunicación. La razón física es que un estado cuántico no se puede copiar y transmitir de forma clásica. Los fotones se utilizan normalmente como canal de comunicación, que son difíciles de almacenar pero permiten una rápida transferencia de información. "La implementación de interfaces eficientes entre fotones y qubits estacionarios es, por lo tanto, crucial para la tasa de transferencia de información y la escalabilidad de una red cuántica, "explica el primer autor Pascal Kobel, un doctorado estudiante del grupo de investigación Experimental Quantum Physics de la Universidad de Bonn.

Implementación de una interfaz de materia ligera

En su configuración experimental, los científicos implementaron una interfaz especial entre la luz y la materia. Para tal fin, utilizaron un resonador óptico que consta de dos espejos opuestos realizados en las caras de los extremos de dos fibras ópticas. Para los espejos cóncavos, hicieron una ablación de parte de la fibra óptica con un pulso de láser y posteriormente se recubrieron los extremos de la fibra óptica con un revestimiento reflectante. El diámetro de la fibra de 150 micrómetros era aproximadamente del orden de un cabello (aproximadamente 60 micrómetros).

"La construcción y combinación de un resonador de este tipo con un solo ion es un desafío experimental. Las fibras y los iones deben colocarse con una precisión relativa de aproximadamente un micrómetro entre sí, "dice el coautor Moritz Breyer, también físico en el grupo de investigación dirigido por el Prof. Dr. Michael Köhl en la Universidad de Bonn. Sin embargo, el pequeño volumen del resonador aumenta la interacción luz-materia, que permite anchos de banda elevados para la distribución de información cuántica en una red. Otra ventaja es que el resonador de fibra conduce al llamado acoplamiento intrínseco de fotones a fibras ópticas. Esto simplifica enormemente su distribución en una red.

Con su configuración experimental, los científicos lograron por primera vez demostrar el entrelazamiento cuántico entre un qubit estacionario y un fotón de un resonador de fibra óptica. Observaron que incluso a una distancia de un metro y medio, el ion único y el fotón compartían un estado cuántico entrelazado común. "Nuestro sistema presentado es muy adecuado como nodo en redes cuánticas, "enfatiza el líder del estudio, el Prof. Dr. Michael Köhl, miembro del Clúster de Excelencia Matter and Light for Quantum Computing (ML4Q) en las Universidades de Bonn, Colonia y Aquisgrán y Forschungszentrum Jülich y en el Área de Investigación Transdisciplinar "Building Blocks of Matter and Fundamental Interactions". La red reúne a investigadores de diferentes disciplinas para trabajar conjuntamente en cuestiones relevantes para el futuro en la Universidad de Excelencia de Bonn.

Los resultados del estudio pueden ser relevantes para la llamada computación cuántica distribuida o la comunicación demostrablemente segura. En estudios futuros, los investigadores planean desarrollar aún más su sistema, por ejemplo, mejorando la estabilidad de la interfaz de luz-materia y usando la configuración para la distribución de claves cuánticas.