Durante las últimas décadas, los físicos e ingenieros cuánticos han intentado desarrollar sistemas de comunicación cuánticos nuevos y fiables. En última instancia, estos sistemas podrían servir como banco de pruebas para evaluar y mejorar los protocolos de comunicación.
Investigadores de la Universidad de Chicago introdujeron recientemente un nuevo banco de pruebas de comunicación cuántica con nodos superconductores remotos y demostraron comunicación multifotónica bidireccional en este banco de pruebas. Su artículo, publicado en Physical Review Letters , podría abrir una nueva ruta hacia la realización de la comunicación eficiente de estados cuánticos complejos en circuitos superconductores.
"Estamos desarrollando qubits superconductores para la computación cuántica modular y como banco de pruebas de comunicación cuántica", dijo a Phys.org Andrew Cleland, coautor del artículo. "Ambos dependen de la capacidad de comunicar estados cuánticos de forma coherente entre 'nodos' de qubits que están conectados entre sí con una red de comunicación escasa, normalmente una única línea de transmisión física".
El reciente estudio de los investigadores se basa en dos artículos de investigación anteriores publicados en Nature Physics. y Naturaleza . En estos trabajos anteriores, el equipo demostró que podían generar entrelazamientos remotos y enviar estados cuánticos complejos, el último de los cuales un qubit a la vez.
"En nuestro nuevo estudio, queríamos intentar enviar estados cuánticos complejos que representaran múltiples qubits al mismo tiempo", dijo Cleland. "Para hacer esto, cargamos el estado cuántico para enviarlo a un resonador y luego enviamos todo el estado del resonador a la línea de transmisión, captándolo con un resonador remoto para su posterior análisis".
Los resonadores, dispositivos que exhiben resonancia eléctrica, tienen un número nominalmente infinito de niveles cuánticos. Como resultado, son teóricamente capaces de almacenar estados muy complejos que codifican datos por valor de varios qubits. Debido a estas ventajosas características, el uso de resonadores para enviar y recibir datos podría aumentar el ancho de banda disponible.
En su experimento, Cleland y sus colegas utilizaron dos qubits superconductores, cada uno de los cuales estaba conectado a un resonador superconductor sintonizable. Cada uno de estos resonadores estaba, a su vez, conectado a una línea de transmisión de 2 m de largo a través de un dispositivo conocido como acoplador variable.
"Utilizamos un qubit superconductor para 'programar' en diferentes estados cuánticos su resonador compañero, utilizando métodos que establecimos hace muchos años", dijo Cleland.
"Luego activamos el acoplamiento del resonador a la línea de transmisión, liberando el estado cuántico (posiblemente complejo) del resonador a la línea de transmisión, donde se transmite como un conjunto (posiblemente complejo) de fotones móviles entrelazados. Esos son luego "captado" por el otro resonador usando el proceso inverso al de liberación, y usamos el qubit de ese resonador para analizar el estado recibido. El sistema puede transmitir en cualquier dirección igualmente bien (por lo tanto, "bidireccional")."
El diseño implementado por los investigadores les permitió realizar la transmisión bidireccional de fotones de frecuencia de microondas individuales, así como la transmisión simultánea de un estado de Fock de dos fotones |2> en una dirección con la transmisión de un estado de Fock de un fotón |1> en la otra dirección, así como la transmisión (separada) de estados de Fock de fotones superpuestos |0>+|1> y |0>+|2>.
"Luego mostramos la generación de los llamados estados N00N, que representan el entrelazamiento entre los dos resonadores, y finalmente realizamos primero la generación del estado entrelazado |10>+|01> con un fotón 'compartido' entre los dos resonadores, luego la generación del estado |20>+|02>, con dos fotones 'compartidos' de la misma manera", dijo Cleland.
"En general, nuestro trabajo demuestra un camino factible hacia una comunicación altamente eficiente de estados cuánticos más complejos que solo fotones individuales entre dos nodos".
El nuevo banco de pruebas de comunicación cuántica presentado por Cleland y sus colegas pronto podría allanar el camino para futuros trabajos y avances. En primer lugar, podría usarse para realizar computación distribuida, en la que cada nodo de un circuito realiza cálculos y comunica resultados de manera eficiente a otro nodo. Además, podría usarse para demostrar sistemas en los que dos nodos comparten un estado complejo y cada uno realiza distintas manipulaciones en este estado.
"Nuestra plataforma también podría utilizarse para la comunicación cuántica, donde, por ejemplo, se podría transmitir información cuántica codificada de cierta complejidad en una sola transferencia", añadió Cleland.
"Ahora estamos trabajando en varios aspectos diferentes de este experimento; por ejemplo, planeamos aumentar el número de nodos (que eran dos en nuestro experimento reciente), aumentar la fidelidad del proceso y explorar lo que es posible si tener más canales de comunicación en paralelo."
Más información: Joel Grebel et al, Comunicación multifotónica bidireccional entre nodos superconductores remotos, Cartas de revisión física (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.047001. En arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2310.00124
Información de la revista: Naturaleza , Cartas de revisión física , Física de la Naturaleza , arXiv
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