Investigadores de Harvard y el MIT han demostrado cómo producir el eslabón perdido hacia una internet cuántica práctica que supondrá un gran paso adelante en el desarrollo de redes cuánticas de larga distancia.

El hallazgo ha sido posible tras descubrir una manera de corregir la pérdida de señal con un prototipo de nodo cuántico que puede recibir y almacenar bits de información cuántica, según publican en la revista ‘Nature’.

“Esta demostración es un avance conceptual que podría extender el rango más largo posible de redes cuánticas y potencialmente permitir muchas aplicaciones nuevas de una manera que es imposible con cualquier tecnología existente –explica Mikhail Lukin, profesor de Física y codirector de la Harvard Quantum Initiative–. Esta es la realización de un objetivo que ha sido perseguido por nuestra comunidad cuántica de ciencia e ingeniería durante más de dos décadas”.

Toda forma de tecnología de comunicación, desde el primer telégrafo hasta la Internet de fibra óptica actual, ha tenido que abordar el hecho de que las señales se degradan y se pierden cuando se transmiten a través de distancias.

Los primeros repetidores, que reciben y amplifican señales para corregir esta pérdida, se desarrollaron para amplificar las señales de telégrafos de cable que se desvanecen a mediados del siglo XIX. Doscientos años después, los repetidores son una parte integral de nuestra infraestructura de comunicaciones de larga distancia.

En una red clásica, un mensaje viaja en una línea más o menos recta donde la señal pasa a través de repetidores, donde se lee, amplifica y corrige los errores y todo ese proceso es vulnerable a los ataques en cualquier punto.

Sin embargo, para enviar un mensaje cuántico el proceso es diferente. Las redes cuánticas utilizan partículas cuánticas de luz (fotones individuales) para comunicar estados cuánticos de luz a largas distancias y cuentan con los entrelazamientos.

El entrelazamiento, lo que Einstein llamó ‘acción espeluznante a distancia’, permite que fragmentos de información se correlacionen perfectamente a cualquier distancia. Debido a que los sistemas cuánticos no se pueden observar sin cambiar, se puede usar el enredo para enviar mensajes sin temor a espías. Esta noción es la base para aplicaciones como la criptografía cuántica, seguridad garantizada por las leyes de la física cuántica.

Sin embargo, la comunicación cuántica a largas distancias también se ve afectada por las pérdidas de fotones convencionales, que es uno de los principales obstáculos para realizar Internet cuántica a gran escala. Pero, el mismo principio físico que hace que la comunicación cuántica sea ultrasegura también hace que sea imposible usar repetidores clásicos existentes para reparar la pérdida de información.

Repetidor cuántico

Para amplificar y corregir una señal, ya que no puede leerla, se necesita un repetidor cuántico. A diferencia de los repetidores clásicos, que amplifican una señal a través de una red existente, los repetidores cuánticos crean una red de partículas entrelazadas a través de las cuales se puede transmitir un mensaje.

En esencia, un repetidor cuántico es una computadora cuántica pequeña con un propósito especial. En cada etapa de dicha red, los repetidores cuánticos deben poder capturar y procesar bits cuánticos de información cuántica para corregir errores y almacenarlos el tiempo suficiente para que el resto de la red esté lista.

Hasta ahora, eso ha sido imposible por dos razones: primero, los fotones individuales son muy difíciles de atrapar. En segundo lugar, la información cuántica es notoriamente frágil, lo que hace que sea muy difícil procesar y almacenar durante largos períodos de tiempo.

Los investigadores han estado trabajando para aprovechar un sistema que puede realizar ambas tareas bien: los centros de color de vacantes de silicio en diamantes, pequeños defectos en la estructura atómica de un diamante que pueden absorber e irradiar luz, dando lugar a sus colores brillantes.

“En los últimos años, nuestros laboratorios han estado trabajando para comprender y controlar los centros de color de vacantes de silicio individuales, en particular sobre cómo usarlos como dispositivos de memoria cuántica para fotones individuales”, explica Mihir Bhaskar, un estudiante graduado en el grupo de Lukin.

Los investigadores integraron un centro de color individual en una cavidad de diamante nanofabricada, que limita los fotones que contienen información y los obliga a interactuar con el centro de color único. Luego colocaron el dispositivo en un refrigerador de dilución, que alcanza temperaturas cercanas al cero absoluto, y enviaron fotones individuales a través de cables de fibra óptica al refrigerador, donde fueron atrapados y atrapados de manera eficiente por el centro de color.

El dispositivo puede almacenar la información cuántica durante milisegundos, el tiempo suficiente para que la información se transporte a lo largo de miles de kilómetros. Se usaron electrodos incrustados alrededor de la cavidad para entregar señales de control para procesar y preservar la información almacenada en la memoria.

“Este dispositivo combina los tres elementos más importantes de un repetidor cuántico: una memoria larga, la capacidad de capturar información de manera eficiente de los fotones y una forma de procesarla localmente –explica Bart Machielse, un estudiante graduado del Laboratorio de Óptica a Nanoescala–. Cada uno de esos desafíos se ha abordado por separado, pero ningún dispositivo ha combinado los tres”.

“Actualmente, estamos trabajando para ampliar esta investigación mediante el despliegue de nuestras memorias cuánticas en enlaces de fibra óptica urbanos reales –avanza Ralf Riedinger, un candidato postdoctoral en el grupo de Lukin–. Planeamos crear grandes redes de memorias cuánticas enredadas y explorar las primeras aplicaciones de Internet cuántica”.

“Esta es la primera demostración a nivel de sistema, que combina importantes avances en nanofabricación, fotónica y control cuántico, que muestra una clara ventaja cuántica para comunicar información utilizando nodos repetidores cuánticos. Esperamos comenzar a explorar nuevas aplicaciones únicas utilizando estas técnicas”, concluye Lukin.

Agencias.

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