Una forma más sencilla de conectar computadoras cuánticas

Un nuevo dispositivo atómico envía información cuántica de alta fidelidad a través de redes de fibra óptica

Universidad de Princeton, Escuela de Ingeniería

Imagen: Investigadores de la Universidad de Princeton han creado una nueva forma de vincular computadoras cuánticas con señales de alta fidelidad utilizando longitudes de onda de luz de banda de telecomunicaciones.ver más

Crédito: Foto de Sameer A. Khan/Fotobuddy

Los investigadores tienen una nueva forma de conectar dispositivos cuánticos a largas distancias, un paso necesario para permitir que la tecnología desempeñe un papel en los futuros sistemas de comunicaciones.

Mientras que las señales de datos clásicas de hoy en día pueden amplificarse a través de una ciudad o un océano, las señales cuánticas no pueden. Deben repetirse en intervalos, es decir, detenerse, copiarse y transmitirse mediante máquinas especializadas llamadas repetidores cuánticos. Muchos expertos creen que estos repetidores cuánticos desempeñarán un papel clave en las redes de comunicación futuras, permitiendo una mayor seguridad y conexiones entre computadoras cuánticas remotas.

El estudio de Princeton, publicado el 30 de agosto en Nature, detalla las bases de un nuevo enfoque para construir repetidores cuánticos. Envía luz lista para telecomunicaciones emitida por un solo ion implantado en un cristal. El esfuerzo tardó muchos años en realizarse, según Jeff Thompson, autor principal del estudio. El trabajo combinó avances en diseño fotónico y ciencia de materiales.

Otros diseños líderes de repetidores cuánticos emiten luz en el espectro visible, que se degrada rápidamente a través de la fibra óptica y debe convertirse antes de viajar largas distancias. El nuevo dispositivo se basa en un único ion de tierras raras implantado en un cristal huésped. Y como este ion emite luz en una longitud de onda infrarroja ideal, no requiere dicha conversión de señal, lo que puede conducir a redes más simples y robustas.

El dispositivo tiene dos partes: un cristal de tungstato de calcio dopado con sólo un puñado de iones de erbio y una pieza nanoscópica de silicio grabada en un canal en forma de J. Pulsado con un láser especial, el ion emite luz a través del cristal. Pero la pieza de silicio, un látigo de semiconductor adherido a la parte superior del cristal, atrapa y guía fotones individuales hacia el interior del cable de fibra óptica.

Lo ideal sería que este fotón estuviera codificado con información del ion, dijo Thompson. O más concretamente, de una propiedad cuántica del ion llamada espín. En un repetidor cuántico, recolectar e interferir las señales de nodos distantes crearía un entrelazamiento entre sus espines, permitiendo la transmisión de estados cuánticos de un extremo a otro a pesar de las pérdidas en el camino.

El equipo de Thompson comenzó a trabajar con iones de erbio varios años antes, pero las primeras versiones utilizaron cristales diferentes que albergaban demasiado ruido. En particular, este ruido provocó que la frecuencia de los fotones emitidos saltara aleatoriamente en un proceso conocido como difusión espectral. Esto evitó la delicada interferencia cuántica necesaria para operar redes cuánticas. Para resolver este problema, su laboratorio comenzó a trabajar con Nathalie de Leon, profesora asociada de ingeniería eléctrica e informática, y Robert Cava, un destacado científico de materiales de estado sólido y profesor de química Russell Wellman Moore de Princeton, para explorar nuevos materiales que pudieran albergar una sola iones de erbio con mucho menos ruido.

Redujeron la lista de materiales candidatos de cientos de miles a unos pocos cientos, luego un par de docenas y luego tres. Cada uno de los tres finalistas tardó medio año en realizar la prueba. El primer material resultó no ser lo suficientemente claro. El segundo provocó que el erbio tuviera propiedades cuánticas deficientes. Pero el tercero, el tungstato de calcio, era perfecto.

Para demostrar que el nuevo material es adecuado para redes cuánticas, los investigadores construyeron un interferómetro en el que los fotones pasan aleatoriamente por uno de dos caminos: un camino corto de varios metros de largo o un camino largo de 22 millas de largo (hecho de fibra óptica enrollada). fibra). Los fotones emitidos por el ion pueden seguir el camino largo o el camino corto, y aproximadamente la mitad de las veces, los fotones consecutivos toman caminos opuestos y llegan a la salida al mismo tiempo.

Cuando se produce una colisión de este tipo, la interferencia cuántica hace que los fotones abandonen la salida en pares si y sólo si son fundamentalmente indistinguibles: tienen la misma forma y frecuencia. En caso contrario, abandonan el interferómetro individualmente. Al observar una fuerte supresión (hasta el 80 por ciento) de fotones individuales en la salida del interferómetro, el equipo demostró de manera concluyente que los iones de erbio en el nuevo material emiten fotones indistinguibles. Según Salim Ourari, un estudiante de posgrado que codirigió la investigación, eso sitúa la señal muy por encima del umbral de alta fidelidad.

Si bien este trabajo cruza un umbral importante, se requiere trabajo adicional para mejorar el tiempo de almacenamiento de los estados cuánticos en el espín del ion erbio. Actualmente, el equipo está trabajando para producir tungstato de calcio más refinado, con menos impurezas que perturben los estados de espín cuántico.

El artículo, “Fotones de bandas de telecomunicaciones indistinguibles de un solo ion de erbio en estado sólido”, se publicó en la revista Nature con el apoyo del Departamento de Energía de EE. UU., la Oficina de Ciencias, los Centros Nacionales de Investigación de Ciencias de la Información Cuántica y el Centro de Codiseño. para Ventaja Cuántica (C2QA). Además de Thompson, Cava y Ourari, entre los autores se encuentran Łukasz Dusanowski, Sebastian P. Horvath, Mehmet T. Uysal, Christopher M. Phenicie, Paul Stevenson, Mouktik Raha, Songtao Chen y Nathalie de Leon. Ourari, Dusanowski, Horvarth y Uysal contribuyeron por igual.

Naturaleza

10.1038/s41586-023-06281-4

Estudio experimental

No aplica

Fotones de banda de telecomunicaciones indistinguibles de un solo ion erbio en estado sólido

30-ago-2023

Descargo de responsabilidad: AAAS y EurekAlert! ¡No somos responsables de la exactitud de los comunicados de prensa publicados en EurekAlert! por instituciones contribuyentes o para el uso de cualquier información a través del sistema EurekAlert.