En todo el mundo se están llevando a cabo investigaciones sobre computación cuántica y redes cuánticas con la esperanza de desarrollar una Internet cuántica en el futuro. Una Internet cuántica sería una red de computadoras, sensores y dispositivos de comunicación cuánticos que crearán, procesarán y transmitirán estados cuánticos y entrelazamientos y se espera que mejore el sistema de Internet de la sociedad y proporcione ciertos servicios y seguridades que la Internet actual no tiene.
Un equipo de físicos de la Universidad de Stony Brook y sus colaboradores han dado un paso significativo hacia la construcción de un banco de pruebas de Internet cuántico al demostrar una medición fundamental de la red cuántica que emplea memorias cuánticas a temperatura ambiente. Sus hallazgos se describen en un artículo publicado en npj Quantum Information. .
El campo de la información cuántica combina esencialmente aspectos de la física, las matemáticas y la computación clásica para utilizar la mecánica cuántica para resolver problemas complejos mucho más rápido que la computación clásica y transmitir información de una manera imposible de piratear.
Si bien la visión de un sistema de Internet cuántico está creciendo y el campo ha experimentado un aumento en el interés de los investigadores y del público en general, acompañado de un fuerte aumento en el capital invertido, no se ha construido un prototipo real de Internet cuántico.
Según el equipo de investigación de Stony Brook, el obstáculo clave para lograr el potencial de hacer que las redes de comunicación sean más seguras, los sistemas de medición más precisos y los algoritmos para ciertos análisis científicos más potentes reside en el desarrollo de sistemas capaces de transmitir información cuántica y entrelazamiento a través de muchos nodos. y a largas distancias. Estos sistemas se llaman repetidores cuánticos y son uno de los desafíos más complejos en la investigación física actual.
Los investigadores han avanzado en capacidades de repetidor cuántico en su último experimento. Construyeron y caracterizaron memorias cuánticas que funcionan a temperatura ambiente y demostraron que estas memorias tienen un rendimiento idéntico, una característica esencial cuando el objetivo es construir redes de repetidores cuánticos a gran escala que comprenderán varias de estas memorias.
Probaron cuán idénticas son estas memorias en su funcionalidad enviando estados cuánticos idénticos a cada una de las memorias y realizando un proceso llamado Interferencia Hong-Ou-Mandel en las salidas de las memorias, una prueba estándar para cuantificar la indistinguibilidad de las propiedades de los fotones. /P>
Demostraron que el proceso de almacenamiento y recuperación de qubits ópticos en sus memorias cuánticas a temperatura ambiente no distorsiona significativamente el proceso de interferencia conjunta y permite el intercambio de entrelazamientos asistido por memoria, un protocolo para distribuir entrelazamientos a largas distancias y la clave para construir sistemas cuánticos operativos. repetidores.
"Creemos que este es un paso extraordinario hacia el desarrollo de repetidores cuánticos viables y la Internet cuántica", dice el autor principal Eden Figueroa, Ph.D., profesor de Stony Brook Presidential Innovation Endowed y director del Centro de Procesamiento Cuántico Distribuido, quien tiene una cita conjunta en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU.
Además, el hardware cuántico desarrollado por el equipo funciona a temperatura ambiente, lo que reduce significativamente el coste de funcionamiento y hace que el sistema sea mucho más rápido. Gran parte de la investigación cuántica no se realiza a temperatura ambiente, sino a temperaturas cercanas al cero absoluto, que son más caras, más lentas y técnicamente más difíciles de conectar en red. Por lo tanto, la tecnología a temperatura ambiente es prometedora para construir redes cuánticas a gran escala.
El equipo no sólo ha logrado resultados de comunicación y memoria cuántica a temperatura ambiente, sino que también ha patentado su enfoque. Recibieron patentes estadounidenses sobre almacenamiento cuántico a temperatura ambiente y repetidores cuánticos de alta tasa de repetición.
"Conseguir que estas flotas de memorias cuánticas trabajen juntas a nivel cuántico y en un estado de temperatura ambiente es algo esencial para cualquier Internet cuántica a cualquier escala. Hasta donde sabemos, esta hazaña no se ha demostrado antes, y "Esperamos seguir desarrollando esta investigación", enfatiza Figueroa, señalando que su tecnología patentada les permite probar más a fondo la red cuántica.
Los coautores Sonali Gera, investigadora postdoctoral, y Chase Wallace, estudiante de doctorado, ambos en el Departamento de Física y Astronomía, trabajaron estrechamente con Figueroa, junto con otros colegas, durante la experimentación que en cierto sentido apunta a "amplificar" efectivamente " entrelazamiento a distancias, la función esencial de un repetidor cuántico.
"Debido a que las memorias son capaces de almacenar fotones con un tiempo de almacenamiento definido por el usuario, también pudimos mostrar la sincronización temporal de la recuperación de los fotones a pesar de que los fotones llegan a las memorias en momentos aleatorios, que es otra característica necesaria para operar una tecnología cuántica. sistema repetidor", explica Gera.
Ella y Wallace añaden que algunos de los próximos pasos en la investigación del equipo son construir y caracterizar fuentes de entrelazamiento compatibles con las memorias cuánticas y diseñar mecanismos para "anunciar" la presencia de fotones almacenados en muchas memorias cuánticas.
Más información: Sonali Gera et al, Interferencia de Hong-Ou-Mandel de pulsos a nivel de fotón único almacenados en memorias cuánticas independientes a temperatura ambiente, npj Quantum Information (2024). DOI:10.1038/s41534-024-00803-2
Proporcionado por la Universidad de Stony Brook
