Durante los años 90, Los ingenieros hicieron grandes avances en el campo de las telecomunicaciones extendiendo la red a distancias más allá de las ciudades y áreas metropolitanas. Para lograr este factor de escalabilidad, usaron repetidores, que mejoraba las señales atenuadas y les permitía viajar distancias más largas con las mismas características como intensidad o fidelidad. Ahora, con la adición de satélites, Es completamente normal estar en medio de una montaña en Europa y hablar con tus seres queridos que viven en la otra parte del mundo.

En el camino hacia la construcción de la futura Internet cuántica, las memorias cuánticas juegan el mismo papel. Junto con fuentes de qubits, son los componentes básicos de esta novedosa Internet, actuando como repetidores cuánticos de operaciones de datos y utilizando la superposición y el entrelazamiento como los ingredientes clave del sistema. Pero para operar tal sistema a un nivel cuántico, el entrelazamiento entre las memorias cuánticas tuvo que crearse a largas distancias y mantenerse de la manera más eficiente posible.

Todos juntos en uno

En un estudio publicado recientemente en Naturaleza , Los científicos del ICFO Dario Lago, Samuele Grandi, Alessandro Seri y Jelena Rakonjac, dirigido por ICREA Prof en ICFO, Hugues de Riedmatten, han logrado escalabilidad, entrelazamiento materia-materia anunciado por las telecomunicaciones entre dos memorias cuánticas multimodo y de estado sólido. En palabras más simples, pudieron almacenar, durante un máximo de 25 microsegundos, un solo fotón en dos memorias cuánticas colocadas a 10 metros de distancia.

Los investigadores sabían que el fotón estaba en uno de los dos recuerdos, pero no sabían en cual, que enfatizó esta noción contraintuitiva que tenemos de la naturaleza, lo que permite que el fotón esté en un estado de superposición cuántica en las dos memorias cuánticas al mismo tiempo pero, Asombrosamente, 10 metros de distancia. El equipo también sabía que el entrelazamiento se creó con la detección de un fotón en la longitud de onda de las telecomunicaciones. y se almacenó en las memorias cuánticas de forma multiplexada, "una característica similar a permitir que se envíen varios mensajes al mismo tiempo en un canal clásico". Estas dos características clave se lograron juntas por primera vez y definen el trampolín para extender este esquema a distancias mucho más largas.

Como Dario Lago, un doctorado estudiante del ICFO y primer autor del estudio, señala con entusiasmo "Hasta ahora, varios de los hitos alcanzados en este experimento fueron realizados por otros grupos, como entrelazar memorias cuánticas o lograr el almacenamiento de los fotones en memorias cuánticas con una eficiencia muy alta y velocidades elevadas. Pero, la singularidad de este experimento es que nuestras técnicas lograron tasas muy altas y pueden extenderse a distancias más largas ".

Configurar el experimento

Lograr este hito requirió esfuerzo y tiempo. Durante el transcurso de varios meses, el equipo preparó el experimento, donde utilizaron un cristal dopado de tierras raras como memoria cuántica para la base de su prueba.

Luego, tomaron dos fuentes que generaron pares correlacionados de fotones individuales. En cada par, un fotón, llamado idler, está a 1436 nm (longitud de onda de telecomunicaciones), y el otro, señal nombrada, tiene una longitud de onda de 606nm. Los fotones de señal única, fueron enviados a una memoria cuántica, compuesto por millones de átomos, todos colocados aleatoriamente dentro de un cristal, y almacenados allí a través de un protocolo llamado peine de frecuencia atómica. Junto a, los fotones inactivos, también llamados fotones heraldos o mensajeros, se enviaron a través de una fibra óptica a un dispositivo llamado divisor de haz, donde se borró por completo la información sobre su origen y ruta. Samuele Grandi, investigador postdoctoral y co-primer autor del estudio, comentarios "Borramos cualquier tipo de característica que nos dijera de dónde venían los fotones inactivos, que sea la fuente 1 o 2, y lo hicimos porque no queríamos saber ninguna información sobre el fotón de señal y en qué memoria cuántica se estaba almacenando ". Al borrar estas características, el fotón de señal podría haberse almacenado en cualquiera de las memorias cuánticas, lo que significa que se creó un enredo entre ellos.

Cada vez que los científicos veían en el monitor un clic de un fotón inactivo que llegaba al detector, pudieron confirmar y verificar que había, De hecho, entrelazamiento. Este entrelazamiento consistió en un fotón de señal en un estado de superposición entre las dos memorias cuánticas, donde se almacenó como una excitación compartida por decenas de millones de átomos durante hasta 25 microsegundos.

Como mencionan Sam y Dario, “Lo curioso del experimento es que no es posible saber si el fotón estaba almacenado en la memoria cuántica en el laboratorio 1 o en el laboratorio 2, que estaba a más de 10 metros de distancia. Aunque esta fue la característica principal de nuestro experimento, y uno que esperábamos, los resultados en el laboratorio seguían siendo contrarios a la intuición, ¡y aún más peculiar y alucinante para nosotros es que fuimos capaces de controlarlo! "

La importancia de los fotones anunciados

La mayoría de los estudios previos que han experimentado con el entrelazamiento y las memorias cuánticas utilizaron fotones heraldos para saber si el entrelazamiento entre las memorias cuánticas había tenido éxito o no. Un fotón heraldo es como una paloma mensajera y los científicos pueden saber a su llegada que se ha establecido el entrelazamiento entre las memorias cuánticas. Cuando esto pasa, los intentos de enredo se detienen y el enredo se almacena en la memoria antes de ser analizado.

En este experimento, los científicos utilizaron un fotón heraldo en la frecuencia de telecomunicaciones, confirmando que el entrelazamiento que se está produciendo podría establecerse con un fotón compatible con las redes de telecomunicaciones existentes, una hazaña importante ya que permite crear enredos a largas distancias y, más aún, permite que estas tecnologías cuánticas se integren fácilmente en las infraestructuras de red clásicas existentes.

La multiplexación es clave

La multiplexación es la capacidad de un sistema para enviar varios mensajes al mismo tiempo a través de un solo canal de transmisión. En telecomunicaciones clásicas, esta es una herramienta que se utiliza con frecuencia para transmitir datos a través de Internet. En repetidores cuánticos, tal técnica es un poco más compleja. Con memorias cuánticas estándar, hay que esperar a que el mensaje que anuncia el enredo vuelva a los recuerdos, antes de que uno pueda volver a intentar crear un enredo. Pero con el uso del protocolo de peine de frecuencia atómica, que permite este enfoque de multiplexación, los investigadores pudieron almacenar los fotones entrelazados en muchos momentos diferentes en la memoria cuántica, sin tener que esperar un evento anunciador exitoso antes de generar el siguiente par entrelazado. Esta condición, llamado "multiplexación temporal, "es una característica clave que representa un aumento importante en el tiempo operativo del sistema, conduciendo a un incremento en la tasa final de enredos.

Pasos futuros

Como dice con entusiasmo el Prof. ICREA en ICFO Hugues de Riedmatten, "Esta idea se concibió hace más de 10 años y estoy encantado de ver que ahora ha tenido éxito en el laboratorio. Los próximos pasos son llevar el experimento fuera del laboratorio, para tratar de vincular diferentes nodos y distribuir el entrelazamiento en distancias mucho mayores, más allá de lo que tenemos actualmente. De hecho, estamos en medio de lograr el primer enlace cuántico de 35km, que se hará entre Barcelona e ICFO, en Castelldefels ".

Está claro que la futura red cuántica traerá muchas aplicaciones en un futuro próximo. Este hito logrado prueba y confirma que estamos en el camino correcto para desarrollar estas tecnologías disruptivas y comenzar a implementarlas en lo que será una nueva forma de comunicación. la Internet cuántica.