Iones entrelazados establecen récord de larga distancia – Physics World

El uso de fibras ópticas y de luz para enviar información del punto A al B es hoy en día una práctica estándar, pero ¿qué pasaría si pudiéramos omitir por completo los pasos de “envío y transporte” y simplemente leer la información instantáneamente? Gracias al entrelazamiento cuántico, esta idea ya no es una obra de ficción, sino un tema de investigación en curso. Al entrelazar dos partículas cuánticas, como los iones, los científicos pueden ponerlas en un estado de unión frágil donde medir una partícula proporciona información sobre la otra de una manera que sería imposible clásicamente.

Investigadores de la Universidad de Innsbruck, Austria, han realizado este complicado proceso de entrelazamiento en dos iones de calcio atrapados en cavidades ópticas separadas por 230 m (el equivalente a dos campos de fútbol) y conectados mediante una fibra óptica de 520 m de largo. Esta separación es un récord para los iones atrapados y marca un hito en los sistemas de computación y comunicación cuántica basados ​​en estas partículas cuánticas.

Hacia una red cuántica

Las redes cuánticas son la columna vertebral de los sistemas de comunicación cuántica. Entre sus atractivos está que podrían conectar el mundo con una potencia informática y una seguridad sin precedentes, al tiempo que mejoran la detección de precisión y la medición del tiempo para aplicaciones que van desde la metrología hasta la navegación. Estas redes cuánticas consistirían en computadoras cuánticas (los nodos) conectadas mediante el intercambio de fotones. Este intercambio se puede realizar en el espacio libre, de manera similar a cómo la luz viaja a través del espacio desde el Sol hasta nuestros ojos. Alternativamente, los fotones pueden enviarse a través de fibras ópticas similares a las utilizadas para transmitir datos para servicios de Internet, televisión y telefonía.

Las computadoras cuánticas basadas en iones atrapados ofrecen una plataforma prometedora para redes y comunicaciones cuánticas por dos razones. Una es que sus estados cuánticos son relativamente fáciles de controlar. La otra es que estos estados son robustos contra perturbaciones externas que pueden alterar la información transportada entre y en los nodos.

Iones de calcio atrapados

En el último trabajo, equipos de investigación liderados por Tracy Northup y ben lanyon En Innsbruck atraparon iones de calcio en trampas Paul, una configuración de campo eléctrico que produce una fuerza sobre el ion, confinándolo en el centro de la trampa. Los iones de calcio son atractivos porque tienen una estructura electrónica simple y son resistentes al ruido. “Son compatibles con la tecnología necesaria para las redes cuánticas; y también se atrapan y enfrían fácilmente, por lo que son adecuados para redes cuánticas escalables”, explica María Galli, un estudiante de doctorado en Innsbruck que participó en el trabajo, que se describe en Physical Review Letters.

Los investigadores comenzaron colocando un único ion atrapado dentro de cada una de dos cavidades ópticas separadas. Estas cavidades son espacios entre pares de espejos que permiten un control y ajuste precisos de la frecuencia de la luz que rebota entre ellos (ver imagen arriba). Este estricto control es crucial para vincular o entrelazar la información del ion con la del fotón.

Después de entrelazar el sistema ion-fotón en cada una de las dos cavidades (los nodos de la red), los investigadores realizaron una medición para caracterizar el sistema entrelazado. Si bien la medición destruye el entrelazamiento, los investigadores tuvieron que repetir este proceso varias veces para optimizar este paso. Los fotones, cada uno entrelazado con uno de los iones de calcio, se transmiten luego a través de la fibra óptica que conecta los dos nodos, que están ubicados en edificios separados.

Intercambiando información

Si bien los investigadores podrían haber transferido los fotones al espacio libre, al hacerlo habrían corrido el riesgo de interrumpir el entrelazamiento de iones y fotones debido a varias fuentes de ruido. Las fibras ópticas, por el contrario, tienen bajas pérdidas y también protegen los fotones y preservan su polarización, lo que permite una separación más prolongada entre los nodos. Sin embargo, no son ideales. “Observamos algunas derivas en la polarización. Por esta razón, cada 20 minutos caracterizaríamos la rotación de polarización de la fibra y la corregiríamos”. dice Galli.

Los dos fotones intercambian la información de sus respectivos sistemas ion-fotón a través de un proceso conocido como medición del estado de Bell de fotones (PBSM). En esta técnica de detección selectiva de estado, las funciones de onda de los fotones se superponen, creando un patrón de interferencia que puede medirse con cuatro fotodetectores.

Al leer las señales medidas en los fotodetectores, los investigadores pueden determinar si la información contenida en los fotones (su estado de polarización) es idéntica o no. En consecuencia, pares coincidentes de resultados (ya sean estados de polarización horizontal o vertical) presagian la generación de entrelazamiento entre los iones remotos.

Compensaciones para un entrelazamiento exitoso

Los investigadores tuvieron que equilibrar varios factores para generar entrelazamiento entre los iones. Una es la ventana de tiempo en la que hacen la medición conjunta final de los fotones. Cuanto más larga sea esta ventana de tiempo, más posibilidades tendrán los investigadores de detectar fotones, pero la contrapartida es que los iones están menos entrelazados. Esto se debe a que su objetivo es capturar fotones que llegan al mismo tiempo, y permitir una ventana de tiempo más larga podría llevarlos a detectar fotones que en realidad llegaron en momentos diferentes.

La red cuántica de tres nodos hace su debut

Por lo tanto, los investigadores necesitaban comprobar cuidadosamente cuánto entrelazamiento lograron durante un período de tiempo determinado. Durante un período de tiempo de 1 microsegundo, repitieron el experimento más de 13 millones de veces, produciendo 555 eventos de detección. Luego midieron el estado de los iones en cada nodo de forma independiente para comprobar la correlación, que fue del 88%. "Nuestro último paso de medición es, de hecho, medir el estado de ambos iones para verificar que existe la correlación de estado esperada", dice Galli. "Esto confirma que hemos logrado crear un entrelazamiento entre los dos iones".

De un sprint a un maratón

Dos campos de fútbol pueden parecer una gran distancia para crear un precario estado cuántico entrelazado, pero el equipo de Innsbruck tiene planes más grandes. Al realizar cambios como aumentar la longitud de onda de los fotones utilizados para transmitir información entre los iones, los investigadores esperan cubrir una distancia mucho mayor, 50 kilómetros, más que un maratón.

Mientras que otros grupos de investigación han demostrado previamente entrelazamientos en distancias aún mayores utilizando átomos neutros, las plataformas basadas en iones tienen ciertas ventajas. Galli señala que las fidelidades de las puertas cuánticas realizadas con iones atrapados son mejores que las de las puertas cuánticas realizadas sobre átomos, principalmente porque las interacciones entre iones son más fuertes y estables que las interacciones entre átomos y el tiempo de coherencia de los iones es mucho más largo.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/entangled-ions-set-long-distance-record/