Nuevo récord mundial en almacenamiento de qubits

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Investigadores de la Universidad de Ginebra batieron un nuevo récord al almacenar un qubit en un cristal durante 20 milisegundos.

El nuevo registro de almacenamiento cuántico podría ayudar a desarrollar redes de telecomunicaciones cuánticas ultraseguras de larga distancia.

Desarrollada durante el siglo XX, la física cuántica ha permitido a los científicos describir el comportamiento de los átomos y las partículas, así como ciertas propiedades de la radiación electromagnética.

Al romper con la física clásica, estas teorías han generado una verdadera revolución e introducido nociones sin equivalente en el mundo macroscópico como la superposición, que describe la posibilidad de que una partícula esté en varios lugares al mismo tiempo, o el entrelazamiento, que describe la capacidad de dos partículas que se afectan entre sí instantáneamente incluso a distancia («acción aterradora a distancia»).

En 2015, un equipo de UNIGE dirigido por Mikael Afzelius, profesor del Departamento de Física Aplicada, logró almacenar un qubit transportado por un fotón durante 0,5 milisegundos en un cristal.

El fotón transfirió su estado cuántico a los átomos del cristal antes de desaparecer.

Sin embargo, los resultados mostraron que el fenómeno no duró lo suficiente como para construir la mayor red de cristales requerida para construir una gran red de comunicación.

Sin embargo, existe un gran obstáculo para el desarrollo de sistemas de telecomunicaciones cuánticas de larga distancia: más allá de unos pocos cientos de kilómetros, los fotones se pierden y la señal desaparece.

Como la señal no se puede copiar ni amplificar, perdería el estado cuántico que garantiza su confidencialidad, el desafío es encontrar la manera de repetirla sin alterarla creando “repetidores” basados en particular en una memoria cuántica.

Al lograr almacenar un qubit en un cristal (una «memoria») durante 20 milisegundos, un equipo de la Universidad de Ginebra (UNIGE) estableció un récord mundial y dio un gran paso hacia el desarrollo de redes de telecomunicaciones cuánticas de larga distancia.

El nuevo hito de 20 milisegundos podría ser justo el avance que estaba buscando este equipo.

“Este es un récord mundial para una memoria cuántica basada en un sistema de estado sólido, en este caso un cristal.

Incluso logramos alcanzar la marca de los 100 milisegundos con una pequeña pérdida de fidelidad”, dijo Azfelius.

Para sus experimentos, los investigadores mantuvieron sus cristales a temperaturas de -273,15 °C para no perturbar el efecto de entrelazamiento.

“Aplicamos un pequeño campo magnético de una milésima de Tesla al cristal y utilizamos métodos de desacoplamiento dinámico, que involucran el envío de intensas frecuencias de radio al cristal”, dijo Antonio Ortu, becario postdoctoral en el Departamento de Física Aplicada de la UNIGE.

“El efecto de estas técnicas es desacoplar los iones de tierras raras de las perturbaciones ambientales y aumentar el rendimiento de almacenamiento que hemos conocido hasta ahora en casi un factor de 40”, agregó.

El resultado de este experimento podría permitir el desarrollo de redes de telecomunicaciones cuánticas de larga distancia, incluso si los investigadores aún tuvieran que extender aún más el tiempo de almacenamiento.

Los científicos también deberán encontrar formas de diseñar memorias que puedan almacenar más de un fotón a la vez y, por lo tanto, tener fotones «entrelazados» que aseguren la privacidad.

“El objetivo es desarrollar un sistema que sea eficiente en todos estos puntos y que pueda comercializarse dentro de diez años”, concluye el investigador.

Mientras que las computadoras comunes almacenan información en bits y bytes, la computación cuántica usa bits cuánticos o qubits.

Estos permiten la superposición cuántica de dos estados, de modo que un electrón puede girar tanto hacia arriba como hacia abajo.

Los qubits se pueden transmitir a través de fibras ópticas como luz, al igual que los bits ordinarios, pero al igual que los bits ordinarios, existe un límite en cuanto a la distancia que pueden viajar los fotones que los transportan antes de que se requieran estaciones repetidoras.

Sin embargo, a diferencia de los bits convencionales, estas estaciones repetidoras no pueden copiar o amplificar qubits sin robarles su precioso estado cuántico.

“El desafío ahora es extender aún más el tiempo de almacenamiento.

En teoría, bastaría con aumentar la duración de la exposición del cristal a las radiofrecuencias, pero por el momento, los obstáculos técnicos para su implementación en una duración mayor nos impiden ir más allá de los 100 milisegundos.

Sin embargo, es seguro que estas dificultades técnicas se pueden resolver”, concluye Mikael Afzelius.

La solución radica en crear cristales con memoria cuántica, lo que permite que los fotones transfieran su estado cuántico a los átomos en el cristal, que luego pueden recrearse para enviarlos.

Dicha memoria se demostró por primera vez en 2015, pero solo duró 0,5 milisegundos.

Siendo 10 ms el mínimo indispensable para un uso práctico, la búsqueda era hacerlo mejor.

Fuente: UNIGE