Los recuerdos cuánticos son uno de los componentes básicos del futuro internet cuántico. Sin ellos, sería bastante imposible transmitir información cuántica a largas distancias y expandirse a una red cuántica real. Estas memorias tienen la misión de recibir la información cuántica codificada en un fotón en forma de qubits, almacenarla y luego recuperarla. Las memorias cuánticas se pueden realizar en diferentes sistemas materiales, por ejemplo, conjuntos de átomos fríos o cristales dopados.

Para ser memorias útiles, deben cumplir varios requisitos, como la eficiencia, la duración y la multiplexación de su capacidad de almacenamiento, para garantizar la calidad de la comunicación cuántica que soportarán. Otro requisito que se ha convertido en un tema de investigación considerable es el diseño de memorias cuánticas que puedan integrarse directamente en la red de fibra óptica.

En los últimos años y con el auge de las tecnologías cuánticas, ha habido mucho trabajo orientado a mejorar la escalabilidad de las memorias cuánticas existentes (hacerlas dispositivos más pequeños y/o más simples) para facilitar su integración y despliegue en una red de trabajo real. Este enfoque totalmente integrado presenta varios obstáculos físicos y de ingeniería, incluida la búsqueda de una solución que conserve buenas propiedades de coherencia, que proporcione un sistema eficiente y estable para transferir fotones de fibras ópticas a la memoria cuántica, así como la miniaturización del sistema de control de la memoria cuántica y su interfaz con la luz entrante. Todo esto debe realizarse mientras se alcanza el mismo nivel de rendimiento obtenido en las versiones a granel "estándar" del dispositivo. Hasta ahora, esto ha demostrado ser un desafío, y las realizaciones actuales de memorias cuánticas integradas en fibra están lejos de lo que se puede lograr en las memorias masivas.

Con estos objetivos claros, en un reciente trabajo publicado en Science Advances , los investigadores de ICFO Jelena Rakonjac, Dario Lago-Rivera, Alessandro Seri y Samuele Grandi, dirigidos por ICREA Prof. en ICFO Hugues de Riedmatten, en colaboración con Giacomo Corrielli y Roberto Osellame de IFN-CNR y Margherita Mazzera de Heriot-Watt University, han sido capaz de demostrar el entrelazamiento entre una memoria cuántica integrada en fibra y un fotón de longitud de onda de telecomunicaciones.

Una memoria cuántica especial

En su experimento, el equipo utilizó un cristal dopado con praseodimio como memoria cuántica. Luego se escribió con láser una guía de ondas dentro de la memoria. Este es un canal de escala micrométrica dentro del cristal que confina y guía el fotón en un espacio reducido. Luego, se unieron dos fibras ópticas idénticas a ambos lados del cristal para proporcionar una interfaz directa entre los fotones que transportan información cuántica y la memoria. Esta configuración experimental permitió una conexión de fibra entre la memoria cuántica y una fuente de fotones.

Para demostrar que esta memoria cuántica integrada puede almacenar entrelazamientos, el equipo utilizó una fuente de pares de fotones entrelazados donde un fotón es compatible con la memoria, mientras que el otro está en la longitud de onda de las telecomunicaciones. Con esta nueva configuración, pudieron almacenar fotones desde 2 µs hasta 28 µs y preservar el entrelazamiento de los pares de fotones después del almacenamiento. El resultado obtenido es una mejora importante porque el tiempo de almacenamiento de entrelazamiento mostrado por el equipo es 1000 veces más largo (tres órdenes de magnitud) que cualquier otro dispositivo integrado de fibra utilizado hasta ahora, acercándose a los rendimientos observados en las memorias cuánticas masivas.

Esto fue posible gracias a la naturaleza completamente integrada del dispositivo, que permitió el uso de un sistema de control más sofisticado que las realizaciones anteriores. Finalmente, dado que el entrelazamiento se compartió entre un fotón visible almacenado en la memoria cuántica y uno en las longitudes de onda de las telecomunicaciones, el equipo también demostró que el sistema es completamente compatible con la infraestructura de telecomunicaciones y adecuado para la comunicación cuántica de larga distancia.

La demostración de este tipo de memoria cuántica integrada abre muchas posibilidades nuevas, en particular en lo que respecta a la multiplexación, la escalabilidad y una mayor integración. Como enfatiza Jelena Rakonjac, "este experimento nos ha dado grandes esperanzas en el sentido de que imaginamos que se pueden fabricar muchas guías de ondas en un cristal, lo que permitiría almacenar muchos fotones simultáneamente en una pequeña región y maximizar las características de capacidad del memoria cuántica. Dado que el dispositivo ya está acoplado por fibra, también se puede interconectar más fácilmente con otros componentes basados ​​en fibra".

Hugues de Riedmatten concluye afirmando que "estamos encantados con este resultado que abre muchas posibilidades para las memorias integradas en fibra. Lo que está claro es que este material particular y esta forma de crear guías de ondas nos permite lograr un rendimiento cercano al de las memorias masivas. En el futuro, extender el almacenamiento a los estados de giro permitirá la recuperación a pedido de los fotones almacenados y conducirá a los largos tiempos de almacenamiento que hemos estado buscando. Esta memoria cuántica integrada en fibra definitivamente es una gran promesa para el uso futuro en redes cuánticas". + Explora más

Investigadores logran entrelazamiento récord de memorias cuánticas