Liberando nuevas dimensiones de la comunicación cuántica

Figura 1. El fotón de señal, manipulado por el circuito fotónico integrado, crea un qudit 4D representado por el conjunto de esferas naranjas. Mientras tanto, el fotón inactivo, representado por la esfera azul, actúa como control remoto del fotón señal.
Crédito: Haoqi Zhao, Yichi Zhang, Zihe Gao, Jieun Yim, Shuang Wu, Natalia M. Litchinitser, Li Ge y Liang Feng, editado

Los investigadores han desarrollado un método innovador para transmitir información cuántica utilizando partículas de luz llamadas qudits, que utilizan el modo espacial y propiedades de polarización para permitir una transferencia de datos más rápida y segura y una mayor resistencia a los errores.

Esta tecnología puede mejorar en gran medida las capacidades de una Internet cuántica, proporcionar comunicaciones seguras a larga distancia y conducir al desarrollo de poderosas computadoras cuánticas y cifrado inquebrantable.

Los científicos han logrado un avance significativo al crear un nuevo método para transmitir información cuántica utilizando partículas de luz llamadas qudits. Estos qudits prometen una futura Internet cuántica que será segura y robusta.

Tradicionalmente, la información cuántica se codifica en qubits, que pueden existir en estado 0, 1 o ambos al mismo tiempo (superposición). Esta cualidad los hace ideales para cálculos complejos, pero limita la cantidad de datos que pueden transportar en comunicación. Por el contrario, los qudits pueden codificar información en dimensiones superiores, transmitiendo más datos a la vez.

Qubits versus Qudits

Los qubits y los qudits son unidades de información cuántica, pero se diferencian principalmente en su capacidad para contener información. Un qubit, la unidad básica utilizada en computación cuántica, puede existir en dos estados simultáneamente debido a la superposición cuántica, típicamente representada como 0 y 1, como los bits de las computadoras clásicas. Esto le permite realizar cálculos complejos de manera más eficiente que los bits clásicos.

Los Qudits, por otro lado, son una generalización de los qubits y pueden existir en ellos. d declara simultáneamente, donde d > 2. Esta mayor dimensionalidad permite que los qubits contengan más información que los qubits, lo que potencialmente conduce a un procesamiento y una comunicación de datos más eficientes en los sistemas cuánticos, ya que pueden realizar operaciones que requerirían múltiples qubits con menos qubits, lo que aumenta la eficiencia y reduce la complejidad en los algoritmos cuánticos. . .

Aproveche las propiedades de la luz para Qudits avanzados

La nueva técnica explota dos propiedades de la luz (modo espacial y polarización) para crear qudits de cuatro dimensiones. Estos qudits están construidos sobre un chip especial que permite una manipulación precisa. Esta manipulación se traduce en velocidades de transferencia de datos más rápidas y una mayor resistencia a errores en comparación con los métodos convencionales.

Una de las principales ventajas de este enfoque es la capacidad de los qudits de mantener sus propiedades cuánticas a largas distancias. Esto los hace perfectos para aplicaciones como la comunicación cuántica basada en satélites, donde los datos deben viajar grandes distancias sin perder su integridad.

Figura 2. (a) La matriz de densidad obtenida experimentalmente (fila superior) y teóricamente predicha (fila inferior) de dos estados cuánticos seleccionados. (b) Matriz de probabilidad de detección recuperada teóricamente (panel izquierdo) y experimentalmente (panel derecho). Crédito: Haoqi Zhao, Yichi Zhang, Zihe Gao, Jieun Yim, Shuang Wu, Natalia M. Litchinitser, Li Ge y Liang Feng

El mecanismo del entrelazamiento cuántico

El proceso comienza con la generación de un estado entrelazado especial utilizando dos fotones. El entrelazamiento es un fenómeno en el que dos partículas se unen y comparten el mismo destino independientemente de la separación física. En este caso, uno un fotón (el fotón de señal) se manipula en el chip para crear un qudit 4D utilizando su modo espacial y polarización. El otro fotón (fotón inactivo) permanece sin cambios y actúa como un control remoto para el fotón de señal (Fig. 1).

Al manipular el fotón inactivo, los científicos pueden controlar el estado del fotón de señal y codificar información en él (Fig. 2).

Potencial futuro de la tecnología Quantum Qudit

Este nuevo método tiene el potencial de revolucionar el campo de la comunicación cuántica. Allana el camino para una Internet cuántica de alta velocidad que pueda transmitir grandes cantidades de datos de forma segura a largas distancias. Además, puede conducir al desarrollo de protocolos de cifrado irrompibles y contribuir a la creación de potentes ordenadores cuánticos capaces de abordar problemas que los ordenadores clásicos no pueden resolver.

Actualmente, los investigadores se centran en mejorar la precisión de qudits y aumentar la tecnología para manejar dimensiones aún mayores. Creen que este enfoque tiene el potencial de revolucionar la comunicación cuántica.

Referencia: «Preparación y manipulación integradas de fotones voladores estructurados de alta dimensión» por Haoqi Zhao, Yichi Zhang, Zihe Gao, Jieun Yim, Shuang Wu, Natalia M. Litchinitser, Li Ge y Liang Feng, 29 de junio de 2024. eLight.
DOI: 10.1186/s43593-024-00066-6