La tecnología cuántica generalmente emplea qubits (bits cuánticos) que consisten en, por ejemplo, electrones individuales, fotones o átomos. Un grupo de investigadores de TU Delft ha demostrado ahora la capacidad de teletransportar un estado qubit arbitrario desde un solo fotón a un dispositivo optomecánico, que consiste en una estructura mecánica que comprende miles de millones de átomos. Su investigación revolucionaria, ahora publicado en Fotónica de la naturaleza , permite aplicaciones del mundo real, como los nodos repetidores cuánticos de Internet, al mismo tiempo que permite estudiar la mecánica cuántica de nuevas formas.

Optomecánica cuántica

El campo de la optomecánica cuántica utiliza medios ópticos para controlar el movimiento mecánico en el régimen cuántico. Los primeros efectos cuánticos en dispositivos mecánicos a microescala se demostraron hace unos diez años. Desde entonces, los esfuerzos enfocados han dado como resultado estados entrelazados entre dispositivos optomecánicos, así como demostraciones de una memoria cuántica optomecánica. Ahora, el grupo de Simon Gröblacher, del Instituto Kavli de Nanociencia y el Departamento de Nanociencia Cuántica de la Universidad Tecnológica de Delft, en colaboración con investigadores de la Universidad de Campinas en Brasil, ha mostrado la primera teletransportación exitosa de un estado qubit óptico arbitrario a una memoria cuántica micromecánica.

Nodos repetidores para una internet cuántica

La teletransportación cuántica, la transferencia fiel de un estado cuántico de entrada desconocido a un sistema cuántico remoto, es un componente clave de los protocolos de comunicación cuántica de larga distancia necesarios para construir una Internet cuántica. Al igual que la Internet normal, La distribución de información cuántica entre dispositivos cuánticos en cualquier parte del mundo requerirá una red de nodos repetidores. Cada nodo almacenará temporalmente la información cuántica en una memoria antes de teletransportarla a un nodo posterior, estableciendo finalmente la comunicación cuántica a larga distancia.

Dos resonadores micromecánicos que comparten un solo estado cuántico

En su experimento, los investigadores crean un qubit fotónico codificado por polarización en un estado cuántico arbitrario. Luego transportan este fotón a través de decenas de metros de fibra óptica y lo teletransportan a su memoria cuántica compuesta por dos masivos, resonadores mecánicos de silicio, cada uno de unos 10 micrómetros de tamaño y que consta de decenas de miles de millones de átomos. La información cuántica se almacenó en el subespacio de excitación única de los dos resonadores. Para probar la confiabilidad del proceso, los investigadores demostraron además que podían recuperar fielmente este estado teletransportado de la memoria.

Longitudes de onda de telecomunicaciones

Aunque la teletransportación cuántica ya se ha demostrado en varios sistemas cuánticos, el uso de dispositivos optomecánicos es un gran avance porque pueden diseñarse para funcionar en cualquier longitud de onda óptica, incluidas las longitudes de onda de la fibra de telecomunicaciones infrarrojas de baja pérdida. "Es esta longitud de onda la que da como resultado la pérdida de transmisión más baja, permitiendo la mayor distancia entre los nodos repetidores, "Dice Gröblacher." Este hito fue posible gracias a la calidad y flexibilidad de nuestros sistemas optomecánicos nanofabricados, cuales, a diferencia de la mayoría de los otros sistemas cuánticos, permiten propiedades ópticas diseñadas de forma independiente. Sin duda, una futura Internet cuántica hará uso de la red de telecomunicaciones existente en esta longitud de onda ".

Todos los bloques de construcción

En principio, La teletransportación cuántica se puede realizar a distancias arbitrarias. Al teletransportar un estado cuántico fotónico sobre decenas de metros de fibra óptica a una memoria cuántica, los investigadores han demostrado el requisito de un nodo repetidor cuántico optomecánico completamente funcional. Gröblacher:"Ahora tenemos que mejorar aún más el rendimiento hasta el nivel requerido para un sistema que se puede implementar en una aplicación del mundo real, como aumentar las tasas de repetición, fidelidades y la tasa de éxito de la teletransportación y almacenamiento de qubit ". Según Thiago Alegre, investigador de la Universidad de Campinas y colaborador de este proyecto, una ruta será diseñar sistemas optomecánicos que sean resistentes a la absorción óptica parasitaria. "Esto se puede lograr gracias a la flexibilidad de estos dispositivos nanofabricados".

Un enfoque híbrido

La investigación actual es un gran paso hacia la visión de Gröblacher de una futura Internet cuántica híbrida. "Estamos trabajando hacia una red heterogénea donde tienes varios sistemas físicos que se comunican y realizan diferentes funcionalidades, ", dice." Puede tener nodos repetidores cuánticos optomecánicos conectados a una computadora cuántica o una memoria que consta de qubits superconductores o sistemas cuánticos de espín, respectivamente. Todos estos tendrán que ser compatibles entre sí y operar en la misma longitud de onda para transferir fielmente información cuántica ".

Transición cuántica a clásica

Además de habilitar bloques de construcción para nuevas tecnologías cuánticas, la capacidad de teletransportar un estado qubit arbitrario a un estado masivo, Los osciladores mecánicos también se pueden utilizar para probar la física cuántica en sí a un nivel fundamental. Mientras que los sistemas muy pequeños se comportan típicamente de acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica, los grandes sistemas se rigen por las leyes clásicas de la física. "Los experimentos han excluido ciertas teorías que describen los mecanismos de decoherencia que conducen a la transición cuántica a clásica, pero estamos lejos de una respuesta definitiva, "Dice Gröblacher." Como es relativamente fácil escalar nuestros sistemas optomecánicos y usar la teletransportación para crear estados cuánticos interesantes, este es un paso importante para comprender este límite ".