Un átomo de tierras raras puede fabricar un repetidor cuántico en longitudes de onda de telecomunicaciones – Physics World

Un átomo de tierras raras puede fabricar un repetidor cuántico en longitudes de onda de telecomunicaciones – Physics World

Sello de tiempo: 13 de septiembre de 2023 3:24 a.m.

Imagen del dispositivo de erbio, que es un chip gris que contiene una rejilla de agujeros y dos canales en forma de cinta.
Compatible con telecomunicaciones: una imagen del dispositivo utilizado en el experimento. (Cortesía: Lukasz Dusanowski)

Investigadores de la Universidad de Princeton (EE.UU.) han dado un paso clave hacia la realización de redes cuánticas escalables gracias a un elemento de tierras raras: el erbio. El erbio es bueno para emitir y absorber fotones en longitudes de onda utilizadas en la industria de las telecomunicaciones, lo cual es una ventaja porque estos fotones pueden viajar largas distancias con poca atenuación en las fibras ópticas estándar. Aprovechar esta fuerza en el ámbito cuántico ha sido un desafío, pero el equipo de Princeton logró convencer a un dispositivo basado en erbio para que emitiera fotones idénticos, un requisito previo para que los repetidores cuánticos compartan información cuántica a través de grandes distancias.

"Las fibras dopadas con erbio se utilizan como repetidores clásicos para fabricar amplificadores de fibra clásicos para todo tipo de enlaces de comunicaciones ópticas, como cables submarinos de larga distancia", dice Jeff Thompson, profesor de ingeniería eléctrica e informática en Princeton e investigador principal del trabajo. "Entonces, para mí, era muy natural intentar encontrar una versión cuántica de eso".

Ventajoso, pero complicado de trabajar

Los fotones pueden ser portadores naturales de información, pero es difícil retenerlos y rara vez interactúan entre sí. Esto significa que si un fotón se pierde o la información codificada en él se degrada, otros fotones no pueden acudir al rescate. En cambio, la información cuántica debe almacenarse en algún tipo de memoria (en este caso, un átomo). "Un repetidor cuántico es en realidad sólo una forma de mapear información cuántica entre la luz y los átomos", explica elizabeth goldschmidt, profesor de óptica cuántica en la Universidad de Illinois-Urbana Champaign, EE. UU., que no participó en el trabajo.

En las redes cuánticas basadas en repetidores, la idea es establecer un entrelazamiento entre dos puntos distantes dividiendo esa distancia en trozos. La forma en que esto funciona es que un repetidor cuántico en un extremo del canal de larga distancia emite un fotón y, en el proceso, se entrelaza con él. Otro repetidor a poca distancia del canal también emite un fotón en dirección al primero. Cuando los dos fotones se encuentran, se miden de forma que los enredan. Mientras los fotones permanezcan entrelazados con sus respectivos emisores, los emisores también quedarán entrelazados. Al continuar este proceso a lo largo de la cadena, eventualmente los dos emisores en extremos opuestos del canal se enredarán. Luego pueden usarse como claves compartidas en un esquema de distribución de claves cuánticas, o pueden compartir un poco de información cuántica a través de un protocolo de teletransportación cuántica.

Repite después de mi

Se han desarrollado otras tecnologías de repetición cuántica utilizando varios átomos o defectos del diamante. Sin embargo, estos sistemas generalmente emiten fotones en frecuencias casi visibles, que se atenúan rápidamente en las fibras ópticas. Para funcionar de manera óptima, requieren una conversión de frecuencia, que es compleja y puede resultar costosa. Un repetidor que emita automáticamente luz del color deseado simplificaría enormemente el proceso.

Para que un átomo de erbio funcione como un repetidor cuántico, es necesario que dos cosas salgan bien. En primer lugar, el átomo necesita emitir fotones con la suficiente rapidez para que el esquema sea práctico. En segundo lugar, el fotón emitido debe preservar sus propiedades cuánticas y permanecer entrelazado con el átomo que lo emitió a pesar de las interrupciones, una propiedad conocida como coherencia.

Desafortunadamente, los átomos de erbio en la naturaleza emiten fotones de banda de telecomunicaciones muy raramente. Para aumentar la tasa de emisión de erbio al color deseado, el equipo colocó el átomo dentro de un cristal, a sólo unos nanómetros de la superficie. Encima de este cristal, colocaron una cavidad, que es un dispositivo nanofotónico de silicio diseñado para atrapar la luz en la longitud de onda precisa que emite el erbio. Mediante el átomo de erbio colocado en esta cavidad, los investigadores de Princeton la convencieron para que emitiera fotones de telecomunicaciones casi 1000 veces más frecuentemente de lo que lo haría de otra manera.

Elegir sabiamente

Para preservar la coherencia cuántica de los fotones el tiempo suficiente para transmitir el entrelazamiento, Thompson y sus colegas tuvieron que elegir el material del cristal con mucho cuidado. De miles de posibilidades iniciales, probaron alrededor de 20 en el laboratorio antes de decidirse por el tungstato de calcio, lo que elevó la coherencia de los fotones emitidos lo suficientemente alta como para que participaran en la interferencia cuántica entre sí. Esta interferencia cuántica es necesaria para la etapa de medición del entrelazamiento de fotones en la arquitectura del repetidor cuántico.

El siguiente paso, que según los investigadores de Princeton está a nuestro alcance, es demostrar el entrelazamiento entre fotones emitidos por diferentes átomos de erbio. Después de eso, es cuestión de conectar en cadena los repetidores para formar un canal de comunicación cuántica. Los investigadores creen que esta tecnología debería ser fácil de escalar, ya que aprovecha la madura industria de la fotónica de silicio. "Creo que esto es algo muy novedoso e importante", dice Goldschmidt. "Los átomos de tierras raras pueden conservar gran parte de la excelente coherencia que se obtiene con los átomos o iones en el vacío, al mismo tiempo que son altamente modificables y compatibles con la integración de dispositivos, como se muestra claramente en este trabajo".

La investigación se describe en Naturaleza.

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