La colaboración cuántica demuestra en Chicagoland los primeros pasos hacia redes cuánticas funcionales de larga distancia sobre fibra óptica de telecomunicaciones implementada, abriendo la puerta a la computación cuántica escalable.

El mundo espera la tecnología cuántica. Se espera que la computación cuántica resuelva problemas complejos que la computación actual o clásica no puede resolver. Y las redes cuánticas son esenciales para aprovechar todo el potencial de la computación cuántica, lo que permite avances en nuestra comprensión de la naturaleza, así como aplicaciones que mejoran la vida cotidiana.

Pero hacerlo realidad requiere el desarrollo de computadoras cuánticas precisas y redes cuánticas confiables que aprovechen las tecnologías informáticas actuales y la infraestructura existente.

Recientemente, como una especie de prueba del potencial y un primer paso hacia las redes cuánticas funcionales, un equipo de investigadores de Illinois-Express Quantum Network (IEQNET) implementó con éxito una red cuántica de larga distancia entre dos laboratorios del Departamento de Energía (DOE) de EE. UU. usando fibra óptica local.

El experimento marcó la primera vez que los fotones codificados cuánticamente, la partícula a través de la cual se envía la información cuántica, y las señales clásicas se enviaron simultáneamente a una distancia de escala metropolitana con un nivel de sincronización sin precedentes.

La colaboración IEQNET incluye el Acelerador Nacional Fermi del DOE y los laboratorios Argonne National, la Universidad Northwestern y Caltech. Su éxito se deriva, en parte, del hecho de que sus miembros abarcan la amplitud de las arquitecturas informáticas, desde la clásica y la cuántica hasta la híbrida.

"Tener dos laboratorios nacionales que están a 50 kilómetros de distancia, trabajando en redes cuánticas con esta gama compartida de capacidad técnica y experiencia, no es algo trivial", dijo Panagiotis Spentzouris, director del Programa de Ciencia Cuántica en Fermilab e investigador principal en el proyecto. "Se necesita un equipo diverso para atacar este problema tan difícil y complejo".

Y para ese equipo, la sincronización resultó ser la bestia a domar. Juntos, demostraron que es posible que las señales cuánticas y clásicas coexistan en la misma fibra de red y logren la sincronización, tanto en distancias a escala metropolitana como en condiciones del mundo real.

Las redes informáticas clásicas, señalan los investigadores, son lo suficientemente complejas. Introducir el desafío de las redes cuánticas en la mezcla cambia el juego considerablemente.

Cuando las computadoras clásicas necesitan ejecutar operaciones y funciones sincronizadas, como las requeridas para la seguridad y la aceleración de la computación, se basan en algo llamado Network Time Protocol (NTP). Este protocolo distribuye una señal de reloj sobre la misma red que transporta la información, con una precisión un millón de veces más rápida que un abrir y cerrar de ojos.

Con la computación cuántica, la precisión requerida es aún mayor. Imagina que el NTP clásico es un corredor olímpico; el reloj de la computación cuántica es The Flash, el superhéroe ultrarrápido de los cómics y las películas.

Para asegurarse de obtener pares de fotones entrelazados (la capacidad de influirse entre sí a distancia), los investigadores deben generar fotones codificados cuánticamente en grandes cantidades.

Saber qué pares están enredados es donde entra en juego la sincronicidad. El equipo usó señales de tiempo similares para sincronizar los relojes en cada destino, o nodo, a través de la red Fermilab-Argonne.

La electrónica de precisión se utiliza para ajustar esta señal de tiempo en función de factores conocidos, como la distancia y la velocidad (en este caso, que los fotones siempre viajan a la velocidad de la luz), así como de las interferencias generadas por el entorno, como cambios de temperatura o vibraciones. en la fibra óptica.

Debido a que solo tenían dos hilos de fibra entre los dos laboratorios, los investigadores tuvieron que enviar el reloj en la misma fibra que transportaba los fotones entrelazados. La forma de separar el reloj de la señal cuántica es usar diferentes longitudes de onda, pero eso conlleva su propio desafío.

"La elección de las longitudes de onda apropiadas para las señales de sincronización cuántica y clásica es muy importante para minimizar la interferencia que afectará a la información cuántica", dijo Rajkumar Kettimuthu, científico informático de Argonne y miembro del equipo del proyecto. "Una analogía podría ser que la fibra es una carretera y las longitudes de onda son carriles. El fotón es un ciclista y el reloj es un camión. Si no tenemos cuidado, el camión puede cruzar al carril de bicicletas. Entonces, realizamos una una gran cantidad de experimentos para asegurarse de que el camión permaneciera en su carril".

En última instancia, los dos fueron asignados y controlados correctamente, y la señal de sincronización y los fotones se distribuyeron desde fuentes en Fermilab. A medida que los fotones llegaban a cada ubicación, se realizaban y registraban mediciones utilizando los detectores de fotones individuales de nanocables superconductores de Argonne.

"Mostramos niveles récord de sincronización utilizando tecnología fácilmente disponible que se basa en señales de radiofrecuencia codificadas en luz", dijo Raju Valivarthi, investigador de Caltech y miembro del equipo de IEQNET. "Construimos y probamos el sistema en Caltech, y los experimentos de IEQNET demuestran su preparación y capacidades en una red de fibra óptica del mundo real que conecta dos importantes laboratorios nacionales".

La red se sincronizó con tanta precisión que registró solo una diferencia horaria de 5 picosegundos en los relojes de cada ubicación; un picosegundo es una billonésima de segundo.

Tal precisión permitirá a los científicos identificar y manipular con precisión pares de fotones entrelazados para respaldar las operaciones de redes cuánticas en distancias metropolitanas en condiciones del mundo real. Sobre la base de este logro, el equipo de IEQNET se está preparando para realizar experimentos para demostrar el intercambio de entrelazamiento. Este proceso permite el enredo entre fotones de diferentes pares entrelazados, creando así canales de comunicación cuántica más largos.

"Esta es la primera demostración en condiciones reales que usa fibra óptica real para lograr este tipo de precisión de sincronización superior y la capacidad de coexistir con información cuántica", dijo Spentzouris. "Este rendimiento récord es un paso esencial en el camino hacia la construcción de redes cuánticas multinodo prácticas". + Explora más

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