Experimento conecta tres dispositivos con fotones entrelazados, técnica clave para una futura Internet cuántica

Físicos han dado un paso importante hacia una futura versión cuántica de Internet al vincular tres dispositivos cuánticos en una red.

Una Internet cuántica permitiría comunicaciones ultraseguras y desbloquearía aplicaciones científicas como nuevos tipos de sensores para ondas gravitacionales y telescopios con una resolución sin precedentes.

Los resultados se informaron en el repositorio de preprint de arXiv.

“Es un gran paso adelante“, dice Rodney Van Meter, ingeniero de redes cuánticas de la Universidad de Keio en Tokio.

Aunque la red aún no tiene el rendimiento necesario para aplicaciones prácticas, agrega Van Meter, demuestra una técnica clave que permitirá que una Internet cuántica conecte nodos a largas distancias.

Las comunicaciones cuánticas explotan fenómenos que son exclusivos del reino cuántico, como la capacidad de las partículas o átomos elementales de existir en una “superposición” de múltiples estados simultáneos, o de compartir un estado “entrelazado” con otras partículas.

Los investigadores habían demostrado los principios de una red cuántica de tres nodos antes, pero el último enfoque podría conducir más fácilmente a aplicaciones prácticas.

En el corazón de las comunicaciones cuánticas se encuentra la información almacenada en qubits, el equivalente cuántico de los bits en las computadoras ordinarias, que puede programarse para estar en una superposición de un “0” y un “1”.

El propósito principal de una red cuántica es permitir que los qubits en el dispositivo de un usuario se entrelacen con los de otra persona.

Ese entrelazamiento tiene muchos usos potenciales, comenzando por el cifrado: debido a que las mediciones de los objetos entrelazados siempre están correlacionadas, al leer repetidamente los estados de sus qubits, los usuarios pueden generar un código secreto que solo ellos conocen.

En la última demostración, el físico Ronald Hanson de la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos y sus colaboradores vincularon tres dispositivos de tal manera que dos dispositivos cualesquiera en la red terminaron con qubits mutuamente entrelazados.

También colocan qubits en los tres dispositivos en un estado entrelazado de tres vías, que, entre otras aplicaciones, puede permitir que tres usuarios compartan información secreta.

Cada uno de los dispositivos de Delft almacena información cuántica en un cristal de diamante sintético, más precisamente, en los estados cuánticos de un defecto en el cristal, donde un átomo de nitrógeno reemplaza a uno de los carbonos.

En un dispositivo de diamante de este tipo, los investigadores pueden presionar el qubit de nitrógeno para que emita un fotón, que se entrelazará automáticamente en el estado del átomo.

Luego pueden canalizar el fotón en una fibra óptica y entregarlo a otro dispositivo, lo que ayuda a establecer un entrelazamiento entre qubits remotos.

En un experimento de tour-de-force en 2015, el equipo de Delft entrelazó con éxito dos dispositivos basados ​​en diamantes y los utilizó para confirmar algunas predicciones cruciales de la mecánica cuántica.

Uno de los tres dispositivos en el último experimento del equipo, el que está en el medio de la red, también se configuró para almacenar información en una ‘memoria cuántica’, que puede contener datos durante más tiempo que los otros qubits y fue clave para la configuración del entrelazamiento de tres vías.

El qubit de memoria utilizó carbono-13, un isótopo no radiactivo que constituye alrededor del 1% del carbono natural.

El carbono 13 tiene un neutrón extra en su núcleo, por lo que actúa como una barra magnética.

Los investigadores utilizaron un electrón activo en el defecto de nitrógeno como sensor para localizar un núcleo de carbono 13 cercano.

Al manipular el electrón, pudieron empujar el núcleo de carbono a estados cuánticos específicos, convirtiéndolo en un qubit adicional.

Tales memorias cuánticas de carbono pueden mantener sus estados cuánticos durante 1 minuto o más, lo que en el mundo subatómico es una eternidad.

La memoria de carbono permitió a los investigadores configurar su red de tres dispositivos en etapas.

Primero, entrelazaron uno de los nodos finales con el nitrógeno en el nodo central.

Luego almacenaron el estado cuántico del nitrógeno en una memoria de carbono.

Esto liberó al qubit de nitrógeno central para que se entrelazara con el qubit en el tercer nodo.

Como resultado, el dispositivo central tenía un qubit entrelazado con el primer nodo y otro simultáneamente con el tercero.

La técnica requirió años de refinamiento.

El qubit de carbono debe estar lo suficientemente bien aislado de su entorno para que su estado cuántico sobreviva mientras los físicos realizan más operaciones, pero aún así ser accesible para que pueda ser programado.

“Desea almacenar un estado cuántico, por lo que debe estar protegido. Pero no debería protegerse demasiado”, dijo Hanson a un periodista durante una visita a su laboratorio en 2018.

Este y otros desafíos hicieron que el experimento fuera más difícil que una red de dos nodos, dice Tracy Northup, física de la Universidad de Innsbruck en Austria.

“Una vez que intentas en serio vincular tres, se vuelve mucho más complicado“.

El almacenamiento de información en un nodo permitió al equipo demostrar una técnica llamada intercambio de entrelazamiento, que podría resultar tan crucial para una futura Internet cuántica como lo son los enrutadores para la actual.

El equipo de Delft no es el primero en vincular con éxito tres memorias cuánticas: en 2019, un equipo dirigido por el físico Pan Jianwei de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China en Hefei lo hizo utilizando un tipo diferente de qubit, basado en nubes de átomos. en lugar de átomos individuales en un objeto sólido.

Pero ese experimento aún no podía producir entrelazamientos bajo demanda, dice Northup.

Al detectar fotones, el equipo de Hefei solo pudo “extraer retroactivamente el hecho de que el entrelazamiento estaba allí“, no que todavía esté disponible para su uso posterior.

Van Meter dice que los qubits de nubes atómicas son más limitados en lo que pueden hacer, por lo que podría ser muy difícil para el equipo de Hefei realizar un intercambio de entrelazamientos, aunque quizás no sea imposible.

“Yo nunca diría nunca nunca con el grupo Pan“.

Mikhail Lukin, físico de la Universidad de Harvard en Cambridge, Massachusetts, califica el experimento de Delft como “heroico”, pero agrega que su desempeño es lento, lo que demuestra que los defectos de nitrógeno también tienen limitaciones.

El equipo de Lukin está trabajando en experimentos similares en diamantes con defectos de silicio, que son mucho más eficientes para interactuar con fotones, dice.

Otros equipos han construido redes con iones atrapados en un campo electromagnético, o con defectos en cristales de elementos de tierras raras, que pueden interactuar con fotones infrarrojos que pueden viajar a lo largo de kilómetros de fibra óptica sin pérdidas significativas.

(Las fibras ópticas son deficientes para transportar los fotones de luz visible emitidos por los defectos de nitrógeno en el diamante).

En su artículo, Hanson y sus coautores sugieren que sus técnicas “proporcionarán una guía para plataformas similares que alcancen el mismo nivel de madurez en el futuro“.

Fuente: Nature