Actualmente, las tecnologías cuánticas están madurando a un ritmo vertiginoso. Estas tecnologías explotan los principios de la mecánica cuántica en sistemas diseñados adecuadamente, con perspectivas brillantes, como aumentar la eficiencia computacional o la seguridad de las comunicaciones mucho más allá de lo que es posible con dispositivos basados en las tecnologías "clásicas" actuales.
Sin embargo, al igual que ocurre con los dispositivos clásicos, para aprovechar todo su potencial, los dispositivos cuánticos deben estar conectados en red. En principio, esto se puede hacer utilizando las redes de fibra óptica utilizadas en las telecomunicaciones clásicas. Pero la implementación práctica requiere que la información codificada en sistemas cuánticos pueda almacenarse de manera confiable en las frecuencias utilizadas en las redes de telecomunicaciones, una capacidad que aún no se ha demostrado completamente.
Escribiendo en Comunicaciones de la Naturaleza , el grupo del profesor Xiao-Song Ma de la Universidad de Nanjing informa sobre un almacenamiento cuántico de duración récord en longitudes de onda de telecomunicaciones en una plataforma que puede implementarse en redes extendidas, allanando el camino para redes cuánticas prácticas a gran escala.
El tejido físico de Internet está tejido a partir de fibras ópticas. Las fibras de vidrio que forman estas vastas redes son famosas por su pureza. Un ejemplo común es que se puede ver claramente a través de una ventana de un kilómetro de espesor hecha de este tipo de vidrio. Sin embargo, algunas pérdidas son inevitables y las señales ópticas que viajan a través de las redes de telecomunicaciones deben "actualizarse" a intervalos regulares una vez que las distancias superan unos pocos cientos de kilómetros.
Para las señales clásicas, existen técnicas bien establecidas y utilizadas habitualmente basadas en la amplificación repetida de la señal. Sin embargo, para los estados cuánticos de la luz, estos métodos utilizados habitualmente lamentablemente no son adecuados.
¿Por qué la 'luz cuántica' es diferente? Un ingrediente clave que hace que las tecnologías cuánticas sean tan poderosas es el entrelazamiento cuántico, un estado en el que dos o más cuantos de luz (o fotones) comparten entre ellos correlaciones más fuertes de lo que es posible para la luz clásica. En la regeneración de señal óptica convencional, la señal óptica se convierte en una señal eléctrica, que se amplifica antes de volver a convertirse en pulsos de luz.
Sin embargo, los fotones entrelazados perderían sus importantes correlaciones cuánticas en tal proceso. El mismo problema ocurre con otros métodos convencionales.
Una solución es utilizar los llamados repetidores cuánticos. En pocas palabras, los repetidores cuánticos almacenan el frágil estado entrelazado y lo transforman en otro estado cuántico que comparte entrelazamiento con el siguiente nodo en la línea. En otras palabras, en lugar de amplificar la señal, los nodos se "unen", explotando sus propiedades cuánticas únicas. En el corazón de estas redes de repetidores cuánticos se encuentran las memorias cuánticas en las que se pueden almacenar los estados cuánticos de la luz.
Realizar estas memorias con un tiempo de almacenamiento suficientemente largo es un desafío excepcional, especialmente para fotones en longitudes de onda de telecomunicaciones (es decir, alrededor de 1,5 µm).
De ahí el entusiasmo cuando Ming-Hao Jiang, Wenyi Xue y sus colegas del grupo de Xiao-Song Ma ahora informan sobre el almacenamiento y recuperación del estado entrelazado de dos fotones de telecomunicaciones con un tiempo de almacenamiento cercano a dos microsegundos. Esto es casi 400 veces más largo que lo que se había demostrado antes en este campo y, por lo tanto, es un paso decisivo hacia dispositivos prácticos.
Los recuerdos desarrollados por Jiang, Xue et al. se basan en ortosilicato de itrio (Y2 SiO5 ) cristales dopados con iones del elemento de tierras raras erbio. Estos iones tienen propiedades ópticas que son casi perfectas para su uso en redes de fibra existentes, coincidiendo con la longitud de onda de alrededor de 1,5 μm.
La idoneidad de los iones de erbio para el almacenamiento cuántico se conoce desde hace algunos años y el hecho de que estén incrustados en un cristal los hace especialmente atractivos de cara a aplicaciones a gran escala. Sin embargo, las implementaciones prácticas de memorias cuánticas basadas en iones de erbio demostraron ser relativamente ineficientes hasta ahora, lo que impide seguir avanzando hacia los repetidores cuánticos.
El grupo de Ma ha logrado avances significativos en el perfeccionamiento de las técnicas y ha demostrado que incluso después de almacenar el fotón durante 1936 nanosegundos, el entrelazamiento del par de fotones se conserva. Esto significa que durante este tiempo se puede manipular el estado cuántico, como se requiere en un repetidor cuántico. Además, los investigadores combinaron su memoria cuántica con una nueva fuente de fotones entrelazados en un chip integrado.
Esta capacidad demostrada para generar fotones entrelazados de alta calidad en frecuencias de telecomunicaciones y almacenar el estado entrelazado, todo en una plataforma de estado sólido adecuada para la producción en masa de bajo costo, es emocionante ya que establece un bloque de construcción prometedor que podría combinarse con los existentes. redes de fibra a gran escala, permitiendo así una futura Internet cuántica.
Más información: Ming-Hao Jiang et al, Almacenamiento cuántico de fotones entrelazados en longitudes de onda de telecomunicaciones en un cristal, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-42741-1
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
Proporcionado por la Facultad de Física de la Universidad de Nanjing
