Físicos del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica han logrado entrelazar más de una docena de fotones de manera eficiente y definida. Por lo tanto, están creando una base para un nuevo tipo de computadora cuántica. Su estudio se publica en Nature .

Los fenómenos del mundo cuántico, que a menudo parecen extraños desde la perspectiva del mundo cotidiano común, hace mucho tiempo que encontraron su camino hacia la tecnología. Por ejemplo, el entrelazamiento:una conexión física cuántica entre partículas que las une de una manera extraña en distancias arbitrariamente largas. Se puede utilizar, por ejemplo, en una computadora cuántica, una máquina informática que, a diferencia de una computadora convencional, puede realizar numerosas operaciones matemáticas simultáneamente. Sin embargo, para usar una computadora cuántica de manera rentable, una gran cantidad de partículas entrelazadas deben trabajar juntas. Son los elementos básicos para los cálculos, los llamados qubits.

"Los fotones, las partículas de luz, son particularmente adecuados para esto porque son robustos por naturaleza y fáciles de manipular", dice Philip Thomas, estudiante de doctorado en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ) en Garching, cerca de Múnich. Junto con colegas de la División de Dinámica Cuántica dirigida por el Prof. Gerhard Rempe, ahora ha logrado dar un paso importante hacia la fabricación de fotones utilizables para aplicaciones tecnológicas como la computación cuántica:por primera vez, el equipo generó hasta 14 fotones entrelazados en de forma definida y con alta eficiencia.

Un átomo como fuente de fotones

"El truco de este experimento fue que usamos un solo átomo para emitir los fotones y entretejerlos de una manera muy específica", dice Thomas. Para hacer esto, los investigadores de Max Planck colocaron un átomo de rubidio en el centro de una cavidad óptica, una especie de cámara de eco para ondas electromagnéticas. Con luz láser de cierta frecuencia, el estado del átomo podría abordarse con precisión. Usando un pulso de control adicional, los investigadores también activaron específicamente la emisión de un fotón que está entrelazado con el estado cuántico del átomo.

“Repetimos este proceso varias veces y de una manera previamente determinada”, informa Thomas. En el medio, el átomo fue manipulado de cierta manera, en la jerga técnica:girado. De esta manera, fue posible crear una cadena de hasta 14 partículas ligeras que se enredaron entre sí por las rotaciones atómicas y se llevaron a un estado deseado. "Hasta donde sabemos, las 14 partículas de luz interconectadas son la mayor cantidad de fotones entrelazados que se han generado en el laboratorio hasta ahora", dice Thomas.

Proceso de generación determinista

Pero no es solo la cantidad de fotones entrelazados lo que marca un gran paso hacia el desarrollo de potentes ordenadores cuánticos, sino que la forma en que se generan también es muy diferente de los métodos convencionales. "Debido a que la cadena de fotones surgió de un solo átomo, podría producirse de manera determinista", explica Thomas. Esto significa:en principio, cada pulso de control entrega un fotón con las propiedades deseadas. Hasta ahora, el entrelazamiento de fotones generalmente se realizaba en cristales especiales no lineales. El inconveniente:allí, las partículas de luz se crean esencialmente al azar y de una manera que no se puede controlar. Esto también limita la cantidad de partículas que se pueden agrupar en un estado colectivo.

El método utilizado por el equipo de Garching, por otro lado, permite generar básicamente cualquier cantidad de fotones entrelazados. Además, el método es particularmente eficiente, otra medida importante para posibles aplicaciones técnicas futuras:"Al medir la cadena de fotones producida, pudimos demostrar una eficiencia de casi el 50%", dice Philip Thomas. Esto significa que casi cada segundo "presionar un botón" en el átomo de rubidio entregó una partícula de luz utilizable, mucho más de lo que se logró en experimentos anteriores. "Con todo, nuestro trabajo elimina un obstáculo de larga data en el camino hacia la computación cuántica escalable y basada en mediciones", dice el director del departamento, Gerhard Rempe.

Más espacio para la comunicación cuántica

Los científicos del MPQ quieren eliminar otro obstáculo más. Las operaciones informáticas complejas, por ejemplo, requerirían al menos dos átomos como fuentes de fotones en el resonador. Los físicos cuánticos hablan de un estado de cúmulo bidimensional. "Ya estamos trabajando para abordar esta tarea", dice Philip Thomas.

El investigador de Max Planck también enfatiza que las posibles aplicaciones técnicas se extienden mucho más allá de la computación cuántica:"Otro ejemplo de aplicación es la comunicación cuántica", la transmisión de información a prueba de escuchas, por ejemplo, mediante luz en una fibra óptica. Allí, la luz experimenta pérdidas inevitables durante su propagación debido a efectos ópticos como la dispersión y la absorción, lo que limita la distancia a la que se pueden transportar los datos. Usando el método desarrollado en Garching, la información cuántica podría empaquetarse en fotones entrelazados y también podría sobrevivir a una cierta cantidad de pérdida de luz y permitir una comunicación segura a mayores distancias. + Explora más

Investigadores logran entrelazamiento récord de memorias cuánticas