Entrelazan memorias cuánticas compatibles con la actual red de comunicaciones por fibra

Investigadores del ICFO han entrelazado por primera vez dos memorias cuánticas multimodales. Separadas por más de 10 metros, el sistema es compatible con la actual red de comunicaciones por fibra.

Según sus autores, que reportan el hallazgo en Nature, este entrelazamiento supone un gran paso adelante hacia el desarrollo de repetidores cuánticos, imprescindibles para el futuro Internet cuántica.

En este experimento del ICFO (Instituto de Ciencias Fotónicas), con sede en Barcelona, se utilizó un fotón mensajero en la frecuencia de telecomunicaciones, confirmando que el entrelazamiento que se está produciendo podría establecerse con un fotón que sea compatible con las redes de telecomunicaciones existentes, según informa el ICFO en un comunicado.

Los investigadores sabían que el fotón estaba en una de las dos memorias, pero no sabían en cuál, reflejando en la práctica que el fotón esté en un estado de superposición cuántica en las dos memorias cuánticas al mismo tiempo pero, sorprendentemente, a 10 metros de distancia.

El equipo también sabía que el entrelazamiento se creó con la detección de un fotón en la longitud de onda de las telecomunicaciones, y se almacenó en las memorias cuánticas de forma multiplexada, "una característica similar a permitir que varios mensajes se envíen al mismo tiempo en un clásico canal ". Estas dos características clave se lograron juntas por primera vez y definen el trampolín para extender este esquema a distancias mucho más largas.

Como señala Darío Lago, estudiante de doctorado en ICFO y primer autor del estudio: "Hasta ahora, varios de los hitos alcanzados en este experimento fueron realizados por otros grupos, como entrelazar memorias cuánticas o lograr el almacenamiento de fotones en memorias cuánticas con una eficiencia muy alta y tasas elevadas. Pero, la singularidad de este experimento es que nuestras técnicas lograron tasas muy altas y pueden extenderse a distancias más largas ".

Durante el transcurso de varios meses, el equipo preparó el experimento, donde utilizaron un cristal dopado de tierras raras como memoria cuántica para la base de su prueba.

Luego, tomaron dos fuentes que generaron pares correlacionados de fotones individuales. En cada par, un fotón, llamado idler, está a una longitud de onda de 1436 nm (longitud de onda de telecomunicaciones) y el otro, llamado señal, está a una longitud de onda de 606nm. Los fotones de señal única se enviaron a una memoria cuántica, formada por millones de átomos, todos colocados aleatoriamente dentro de un cristal, y almacenados allí a través de un protocolo llamado peine de frecuencia atómica.

Además, los fotones inactivos, también llamados fotones heraldos o mensajeros, se enviaron a través de una fibra óptica a un dispositivo llamado divisor de haz, donde se borró por completo la información sobre su origen y trayectoria.

Samuele Grandi, investigador postdoctoral y co-primer autor del estudio, comenta: "Borramos cualquier tipo de característica que nos dijera de dónde venían los fotones inactivos, sea la fuente 1 o 2, e hicimos esto porque lo hicimos no quiero saber ninguna información sobre el fotón de la señal y en qué memoria cuántica se estaba almacenando ". Al borrar estas características, el fotón de señal podría haberse almacenado en cualquiera de las memorias cuánticas, lo que significa que se creó un entrelazamiento entre ellas.

Cada vez que los científicos veían en el monitor un clic de un fotón inactivo que llegaba al detector, podían confirmar y verificar que, de hecho, había un entrelazamiento. Este entrelazamiento consistió en un fotón de señal en estado de superposición entre las dos memorias cuánticas, donde se almacenó como una excitación compartida por decenas de millones de átomos durante hasta 25 microsegundos.

La mayoría de los estudios previos que han experimentado con el entrelazamiento y las memorias cuánticas utilizaron fotones heraldos para saber si el entrelazamiento entre las memorias cuánticas había tenido éxito o no. Un fotón heraldo es como una paloma mensajera y los científicos pueden saber a su llegada que se ha establecido el entrelazamiento entre las memorias cuánticas. Cuando esto sucede, los intentos de entrelazamiento se detienen y el entrelazamiento se almacena en los recuerdos antes de ser analizado.

En este experimento, los científicos utilizaron un fotón heraldo en la frecuencia de telecomunicaciones, confirmando que el entrelazamiento que se está produciendo podría establecerse con un fotón que sea compatible con las redes de telecomunicaciones existentes, una hazaña importante ya que permite crear entrelazamientos a largas distancias y, más aún, permite que estas tecnologías cuánticas se integren fácilmente en las infraestructuras de red clásicas existentes.

La multiplexación es la capacidad de un sistema para enviar varios mensajes al mismo tiempo a través de un solo canal de transmisión. En las telecomunicaciones clásicas, esta es una herramienta que se utiliza con frecuencia para transmitir datos a través de Internet. En los repetidores cuánticos, esta técnica es un poco más compleja. Con las memorias cuánticas estándar, uno tiene que esperar a que el mensaje que anuncia el entrelazamiento regrese a los recuerdos, antes de poder volver a intentar crear el entrelazamiento.

Pero con el uso del protocolo de peine de frecuencia atómica, que permite este enfoque de multiplexación, los investigadores pudieron almacenar los fotones entrelazados en muchos momentos diferentes en la memoria cuántica, sin tener que esperar un evento anunciador exitoso antes de generar el siguiente par entrelazado. Esta condición, denominada "multiplexación temporal" es una característica clave que representa un aumento importante en el tiempo operativo del sistema, lo que lleva a un incremento en la tasa de entrelazamiento final.