La fundación de la Quantum Internet Foundation

La Dra. Sarah Thomas trabaja en el laboratorio de óptica cuántica. Crédito: Thomas Angus / Imperial College de Londres

Los investigadores han producido, almacenado y recuperado información cuántica por primera vez, un paso crítico en la creación de redes cuánticas.

La capacidad de compartir información cuántica es crucial para el desarrollo de redes cuánticas para la computación distribuida y la comunicación segura. La computación cuántica será útil para resolver algunos tipos importantes de problemas, como optimizar el riesgo financiero, descifrar datos, diseñar moléculas y estudiar las propiedades de los materiales.

Sin embargo, este desarrollo se está retrasando porque la información cuántica puede perderse cuando se transmite a largas distancias. Una forma de superar este obstáculo es dividir la red en segmentos más pequeños y vincularlos a todos a un estado cuántico compartido.

Para hacer esto se requiere un medio para almacenar información cuántica y recuperarla: es decir, un dispositivo de memoria cuántica. En primer lugar, este debe «hablar» con otros dispositivos que permitan la creación de información cuántica.

Por primera vez, los investigadores han creado un sistema que combina estos dos componentes clave y utiliza fibras ópticas regulares para transmitir datos cuánticos.

La hazaña fue conseguida por investigadores de Colegio Imperial de Londresla Universidad de Southampton y las universidades de Stuttgart y Wurzburg en Alemania, y los resultados se publicaron en Avances científicos.

La primera autora, la Dra. Sarah Thomas, del Departamento de Física del Imperial College de Londres, dijo: «La interconexión de dos dispositivos clave es un paso adelante crucial para permitir la creación de redes cuánticas, y estamos muy emocionados de ser el primer equipo que hemos podido demostrar». eso.»

El primer autor, Lukas Wagner, de la Universidad de Stuttgart, añadió: «Permitir que ubicaciones de larga distancia, e incluso ordenadores cuánticos, se conecten es una tarea crítica para las futuras redes cuánticas».

La configuración de puntos cuánticos del equipo. Crédito: Imperial College de Londres

Comunicación de larga distancia

En las telecomunicaciones habituales, como Internet o las líneas telefónicas, la información se puede perder a grandes distancias. Para combatir esto, estos sistemas utilizan ‘repetidores’ en puntos regulares, que leen y reamplifican la señal, asegurando que llegue intacta a su destino.

Los repetidores clásicos, sin embargo, no se pueden utilizar con información cuántica, ya que cualquier intento de leer y copiar la información la destruiría. Esto es una ventaja en un sentido, ya que las conexiones cuánticas no se pueden «explotar» sin destruir información y alertar a los usuarios. Pero es un desafío que hay que abordar para las redes cuánticas de larga distancia.

Una forma de superar este problema es compartir información cuántica en forma de partículas de luz entrelazadas o fotones. Los fotones entrelazados comparten propiedades de tal manera que no se puede entender uno sin el otro. Para compartir el entrelazamiento a largas distancias en una red cuántica se necesitan dos dispositivos: uno para crear los fotones entrelazados y otro para almacenarlos y permitir su recuperación más tarde.

Hay varios dispositivos que se utilizan para crear información cuántica en forma de fotones entrelazados y almacenarlos, pero tanto generar estos fotones a pedido como tener una memoria cuántica compatible en la que almacenarlos han eludido a los investigadores durante mucho tiempo.

Los fotones tienen ciertas longitudes de onda (que, en luz visible, crean diferentes colores), pero los dispositivos para crearlos y almacenarlos a menudo están sintonizados para funcionar en diferentes longitudes de onda, lo que impide que se combinen.

Para interconectar los dispositivos, el equipo creó un sistema en el que ambos dispositivos usaban la misma longitud de onda. Un «punto cuántico» producía fotones (desenredados), que luego pasaban a un sistema de memoria cuántica que almacenaba los fotones dentro de una nube de átomos de rubidio. Un láser encendía y apagaba la memoria, lo que permitía almacenar y liberar fotones según demanda.

No sólo la longitud de onda de estos dos dispositivos coincide, sino que está en la misma longitud de onda que las redes de telecomunicaciones utilizadas hoy en día, lo que permite que se transmita con cables de fibra óptica normales y familiares en las conexiones a Internet de todos los días.

Colaboración europea

La fuente de luz de puntos cuánticos fue creada por investigadores de la Universidad de Stuttgart con el apoyo de la Universidad de Würzburg y luego llevada al Reino Unido para conectarse al dispositivo de memoria cuántica creado por el equipo de Imperial y Southampton. El sistema se montó en un laboratorio del sótano del Imperial College de Londres.

Si bien se han creado puntos cuánticos y memorias cuánticas independientes que son más eficientes que el nuevo sistema, esta es la primera prueba de que los dispositivos pueden fabricarse para la interfaz y en una longitud de onda de telecomunicaciones.

El equipo ahora buscará mejorar el sistema, incluyendo asegurarse de que todos los fotones se produzcan con la misma longitud de onda, mejorar la cantidad de fotones que se pueden almacenar y hacer que todo el sistema sea más pequeño.

Sin embargo, como prueba de concepto, este es un importante paso adelante, dice el coautor Dr. Patrick Ledingham de la Universidad de Southampton: «Los miembros de la comunidad cuántica han estado probando activamente este vínculo durante algún tiempo. Esto nos incluye a nosotros, que hemos probado esto Experimenté dos veces antes con diferentes medios de memoria y puntos cuánticos, que se remontan a más de cinco años, lo que demuestra lo difícil que es hacerlo.

«El gran avance esta vez fue reunir a expertos para desarrollar y ejecutar cada parte del experimento con equipos especializados y trabajar juntos para sincronizar los dispositivos».

Referencia: «Almacenamiento y recuperación deterministas de luz de telecomunicaciones a partir de un único punto cuántico».un fotón fuente interconectada con una memoria cuántica atómica» por Sarah E. Thomas, Lukas Wagner, Raphael Joos, Robert Sittig, Cornelius Nawrath, Paul Burdekin, Ilse Maillette de Buy Wenniger, Mikhael J. Rasiah, Tobias Huber-Loyola, Steven Sagona-Stophel, Sven Höfling, Michael Jetter, Peter Michler, Ian A. Walmsley, Simone L. Portalupi y Patrick M. Ledingham, 12 de abril de 2024. Avances científicos.
DOI: 10.1126/sciadv.adi7346

La investigación forma parte del proyecto financiado por la UE «Qurope: Quantum Repetidores utilizando On-demand Photonic Entanglement».