Físicos de las Universidades de Innsbruck en Austria y Paris-Saclay en Francia han combinado todas las funcionalidades clave de una red cuántica de larga distancia en un solo sistema por primera vez. En un experimento de prueba de principio, utilizaron este sistema para transferir información cuántica a través de un llamado nodo repetidor a una distancia de 50 kilómetros, lo suficientemente lejos como para indicar que los componentes básicos de redes cuánticas prácticas a gran escala pronto podrían ser al alcance.
Las redes cuánticas tienen dos componentes fundamentales: los propios sistemas cuánticos, conocidos como nodos, y una o más conexiones fiables entre ellos. Tal red podría funcionar conectando los bits cuánticos (o qubits) de múltiples computadoras cuánticas para “compartir la carga” de cálculos cuánticos complejos. También podría usarse para comunicaciones cuánticas súper seguras.
Pero construir una red cuántica no es tarea fácil. Tales redes a menudo funcionan transmitiendo fotones individuales que están entrelazados; es decir, su estado cuántico está estrechamente ligado al estado de otra partícula cuántica. Desafortunadamente, la señal de un solo fotón se pierde fácilmente en largas distancias. Los portadores de información cuántica también pueden perder su naturaleza cuántica en un proceso conocido como decoherencia. Por lo tanto, es esencial potenciar estas señales.
Repetición sin vacilación ni desviación.
Los repetidores cuánticos pueden proporcionar este impulso, pero no de forma sencilla. Debido a que las reglas de la mecánica cuántica restringen la copia de estados entrelazados, los repetidores no pueden simplemente copiar la señal que reciben y pasarla al siguiente nodo. En cambio, deben almacenar información en la llamada memoria cuántica y luego transferirla mediante un proceso conocido como medición del estado de Bell (BSM).
Un repetidor cuántico totalmente capaz también debe cumplir con ciertos requisitos prácticos. En primer lugar, las señales cuánticas deben estar en longitudes de onda utilizadas en telecomunicaciones, para que puedan transmitirse a través de fibras ópticas sin demasiadas pérdidas. En segundo lugar, el tiempo de almacenamiento de la memoria cuántica debería exceder el tiempo necesario para generar entrelazamiento. Finalmente, cada paso del proceso debe ser determinista, lo que significa que se deben producir señales después de cada paso exitoso.
Todo en uno
El último trabajo, que se describe en Physical Review Letters, combina los tres requisitos prácticos en un solo experimento. En la secuencia inicial de eventos, dos iones de calcio atrapados emiten cada uno un fotón, formando dos pares de iones de fotones entrelazados. Aquí, los iones atrapados funcionan como qubits y sus estados cuánticos se distribuyen por la red cuántica. Los fotones de estos pares se convierten luego a la longitud de onda de telecomunicaciones de 1550 nm y se envían a dos nodos diferentes a través de fibras ópticas separadas de 25 km de largo. La distancia total entre nodos es por lo tanto de 50 km.
Cada vez que uno de los fotones alcanza su nodo designado, el estado de su ion entrelazado se almacena en los estados de memoria protegidos del ion. Luego, el sistema hace repetidos intentos de enviar un segundo fotón (entrelazado con el segundo ion) al otro nodo. Una vez que se detectan los fotones en ambos nodos, los experimentadores realizan un BSM para transferir los estados iónicos a sus respectivos fotones entrelazados.
Para probar este protocolo, los investigadores lo repitieron 44 720 veces durante un período de 33 minutos, registrando 2053 éxitos en 2 229 883 intentos de entrelazar fotones entre los nodos remotos. Puede que no suene como una alta tasa de éxito, pero la presencia de las memorias de iones hizo que el establecimiento del enredo fuera 128 veces más probable. Esto indica que pueden ser posibles mejoras adicionales, hasta el límite en el que ambos detectores detectan con éxito ambos fotones y están restringidos solo por la decoherencia en los estados de memoria de los iones.
Ampliando aún más la red
Los investigadores también modelaron hasta dónde podría llevarse su método. Teniendo en cuenta todos los diferentes factores, demostraron que una red de 17 nodos repetidores basados en iones podría establecer un entrelazamiento entre iones a 800 kilómetros de distancia. Según el investigador principal ben lanyon de la Universidad de Innsbruck, los miembros del equipo ahora planean desenrollar las fibras que se encuentran actualmente en sus laboratorios y enviar el enredo fuera del campus, a la red de fibra óptica comercial existente. “Nuestra visión es salir del laboratorio y comenzar a construir redes cuánticas de materia y luz entre ciudades y países”, dice. Mundo de la física.
Los nuevos repetidores cuánticos podrían permitir una Internet cuántica escalable
ronald hanson, un físico de QuTech en los Países Bajos que no participó en el trabajo, describe el resultado como importante porque combina varios elementos necesarios para un repetidor cuántico. En particular, señala que el experimento demuestra el funcionamiento de múltiples qubits dentro del nodo, interfaces eficientes de qubits-fotones y compatibilidad con las telecomunicaciones, con cada elemento trabajando con alta fidelidad para brindar un buen rendimiento general, la métrica más relevante. Si bien una Internet cuántica en pleno funcionamiento aún está lejos, Hanson cree que esta demostración es un paso hacia repetidores cuánticos funcionales basados en iones atrapados.
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