Medición de correlaciones no clásicas entre ubicaciones remotas. Mapa del área metropolitana de Barcelona, con las tres localizaciones destacadas: ICFO, donde se encuentran la memoria y la fuente SPDC; CTTI, donde se conectan los dos segmentos de fibra óptica; i2CAT, donde se detectan los fotones inactivos. Crédito: ICFO
A medida que continúan los esfuerzos para la realización de potentes ordenadores cuánticos y simuladores cuánticos, existe un programa paralelo destinado a lograr el análogo cuántico de la Internet clásica.
Esta nueva red cuántica proporcionará ciberseguridad cuántica ultrasegura y, en última instancia, se dedicará al intercambio de qubits, los elementos unitarios de la información cuántica y el lenguaje de las computadoras cuánticas. De hecho, proporcionará una red a través de la cual diferentes computadoras cuánticas podrían conectarse como se conectan los procesadores clásicos en la computación en la nube.
De hecho, una opción inicial para la futura infraestructura de Internet cuántica es la red de telecomunicaciones existente, que proporciona un canal casi ubicuo a través del cual la luz puede viajar distancias muy grandes con una absorción limitada. Debido a esta baja absorción y su alta velocidad, la luz es una gran candidata como portadora de información, ya sea clásica o cuántica.
La luz láser brillante se puede utilizar fácilmente para transferir información clásica en Internet, mientras que la atenuación de la luz en las fibras ópticas se compensa con amplificadores de luz colocados cada diez kilómetros dentro de estas fibras. Sin embargo, la transferencia de información cuántica (comunicación cuántica) requiere medios mucho más sofisticados.
Los bits cuánticos todavía están codificados en luz, específicamente fotones individuales, pero esta codificación cuántica no puede amplificarse porque las reglas de la mecánica cuántica lo impiden; si intentas amplificar la codificación cuántica, dañas seriamente la información contenida en los fotones. Por tanto, los amplificadores utilizados en las redes clásicas no se pueden utilizar para bits cuánticos. Esto significa que se necesita una tecnología radicalmente nueva para construir una versión cuántica de Internet: el repetidor cuántico.
A medida que los amplificadores de luz garantizan la conectividad entre ubicaciones distantes, los repetidores cuánticos permitirán la comunicación a larga distancia distribuyendo el entrelazamiento entre ellos.
El entrelazamiento es una propiedad exclusivamente cuántica de dos objetos que muestran correlaciones que no pueden reproducirse por medios clásicos, y es uno de los componentes principales de la comunicación cuántica. Se puede utilizar para transferir información cuántica, por ejemplo, mediante teletransportación cuántica entre dos nodos de un sistema repetidor cuántico.
Una forma de establecer un entrelazamiento remoto entre dos nodos es mediante la transmisión directa: se puede generar un par de fotones entrelazados, uno de los cuales permanece quieto mientras el otro viaja a la otra ubicación. Esto significa que estos últimos deben ser compatibles con la transmisión por fibra óptica, mientras que los primeros deben almacenarse en un memoria cuánticalo que lleva al entrelazamiento entre la luz y la materia.
Ahora, se necesita un conjunto de repetidores cuánticos para emparejar varios de estos nodos y lograr un entrelazamiento a larga distancia entre memorias cuánticas. Una arquitectura prometedora para estos nodos repetidores cuánticos se basa en emparejar la generación espontánea de pares de fotones, un proceso conocido como conversión descendente espontánea (SPDC), con una memoria cuántica externa.
Este es el enfoque que han adoptado los investigadores del ICFO. En un nuevo estudio apareciendo En el servidor de preimpresión arXiv, Jelena Rakonjac, Samuele Grandi, Soren Wengerowsky, Dario Lago-Rivera y Felicien Appas, dirigidos por el profesor ICREA en ICFO Hugues de Riedmatten, demuestran la transmisión del entrelazamiento de materia luminosa a lo largo de decenas de kilómetros de fibra óptica.
En su experimento, generaron pares de fotones, uno de los cuales se emite en la longitud de onda de telecomunicaciones de 1436 nm, mientras que el otro se emite en 606 nm, compatible con las memorias cuánticas de estado sólido utilizadas, realizadas en cristales especiales dopados con átomos de tierras raras.
Luego aprovecharon la red metropolitana de Barcelona, conectando su sistema a dos fibras que iban desde ICFO, en Castelldefels, hasta el Centro de Telecomunicaciones de Cataluña (CTTI), en Hospitalet de Llobregat. Al conectar ambos centros, crearon un anillo de 50 km, enviando los fotones hasta el centro de Barcelona y de regreso al ICFO.
Con ello, demostraron que después de un viaje completo de ida y vuelta de 50 km, la luz generada en el laboratorio mantiene sus características cuánticas sin disminución sustancial, demostrando que los qubits fotónicos no manifiestan decoherencia al recorrer decenas de kilómetros en un cable de fibra óptica. Incluso en un área metropolitana. En resumen, la luz cuántica abandonó el laboratorio y finalmente fue detectada en su origen.
Sin embargo, la comunicación cuántica requiere utilizar y verificar el entrelazamiento entre ubicaciones remotas, donde los fotones entrelazados se detectan en ubicaciones bien separadas en el espacio y el tiempo. En esta dirección, los investigadores ampliaron su red con un nuevo nodo, esta vez ubicado en la fundación i2CAT, un edificio de Barcelona, a unos 44 kilómetros del ICFO a través de la red local de fibra óptica y a 17 kilómetros en línea recta.
Allí instalaron un detector de telecomunicaciones para medir la llegada de fotones que pasaban por una de las fibras mientras la otra fibra estaba conectada a un transductor, que convertía la señal eléctrica del detector en luz y la enviaba a través de la línea de fibra óptica.
De este modo, la información pudo transmitirse al ICFO con gran precisión, aunque el fotón se detectó a unos 17 kilómetros de distancia. Además, utilizaron los mismos transductores para enviar señales de sincronización entre los dos nodos de esta red básica, donde la generación y detección de correlaciones cuánticas estaban completamente separadas entre dos nodos independientes pero conectados.
El experimento validó el sistema utilizado por los investigadores para generar entrelazamiento de materia ligera y ha demostrado ser uno de los candidatos pioneros para la realización de un nodo repetidor cuántico, la tecnología que permite la comunicación cuántica a larga distancia. Ya se han realizado demostraciones de prueba de principio en el laboratorio y el grupo ahora está trabajando para mejorar el rendimiento tanto de la memoria como de la fuente.
Además, los investigadores se han asociado con Cellnex (Xarxa Roberta de Catalunya) y hay disponible un nuevo laboratorio en la torre de Collserola en el contexto de los proyectos QNetworks y EuroQCI España para la realización de un estado entrelazado de memorias cuánticas remotas.
La creación de una red troncal de larga distancia para la distribución del entrelazamiento entre memorias cuánticas es también uno de los principales objetivos de la Quantum Internet Alliance (QIA), el esfuerzo europeo líder en la realización de la Internet cuántica del que ICFO es un socio principal.
Los resultados de este estudio, “es decir, la transmisión del entrelazamiento de materia ligera a través de fibras desplegadas en un área metropolitana, son el paso inicial hacia la realización de una Internet cuántica completa, con nuestra fuente y nodo cuántico de memoria en su núcleo. ” comenta Samuele Grandi, investigador del ICFO y co-primer autor del estudio.
Como concluye el profesor ICREA del ICFO Hugues de Riedmatten: “El entrelazamiento de la materia ligera es un recurso clave para comunicación cuántica y se demostró muchas veces en el laboratorio. Demostrarlo en la red de fibra instalada es un primer paso para realizar un banco de pruebas para repetidor cuántico tecnologías en el área de Barcelona, preparando el terreno para las redes de larga distancia basadas en fibra.”
Más información:
Jelena V. Rakonjac et al, Transmisión de entrelazamiento de materia ligera a través de una red metropolitana, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2304.05416
Información de la revista:
arXiv
Citación: Transmitting entrelazamiento entre luz y materia en la red metropolitana de Barcelona (2024, 2 de abril) recuperado el 3 de abril de 2024 de https://phys.org/news/2024-04-transmitting-entanglement-metropolitan-network-barcelona.html
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2024-04-02 20:32:15
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