Logran transducción cuántica entre tecnologías: un paso clave hacia la internet cuántica

Investigadores han descubierto una forma de “traducir” la información cuántica entre distintos tipos de tecnologías cuánticas.

Representa una nueva forma de convertir la información cuántica entre el formato utilizado por los computadores cuánticos y el formato necesario para la comunicación cuántica.

El logro es obra del equipo de Aishwarya Kumar, del Instituto James Francken de la Universidad de Chicago en Estados Unidos.

Los fotones (partículas de la luz) son esenciales para las tecnologías de información cuántica, pero las distintas tecnologías los utilizan a frecuencias diferentes.

Por ejemplo, algunas de las tecnologías de computación cuántica más comunes se basan en qubits superconductores, como los que utilizan Google e IBM; estos qubits almacenan la información cuántica en fotones que se mueven estando en la banda de las microondas del espectro electromagnético.

Pero si se quiere construir una red cuántica o conectar computadores cuánticos, no se pueden enviar fotones de microondas porque su capacidad de retener la información cuántica es demasiado débil para que dicha información sobreviva al viaje.

Muchas de las tecnologías que se utilizan hoy en día para la comunicación clásica (teléfonos móviles, wifi, GPS, etcétera) emplean frecuencias en la banda de las microondas.

Pero no se puede hacer lo mismo con la comunicación cuántica porque la información cuántica que se necesita está en un solo fotón.

Y a frecuencias de microondas, esa información queda sepultada por el ruido térmico.

La solución es transferir la información cuántica a un fotón de mayor frecuencia, concretamente un fotón óptico, que es mucho más resistente al ruido térmico ambiental.

Pero la información no puede transferirse directamente de fotón a fotón, sino que hay que emplear materia intermediaria.

En algunos experimentos se han probado dispositivos de estado sólido para ese fin. Sin embargo, el equipo de Kumar ha optado por algo más fundamental: los átomos.

Los electrones de los átomos solo pueden tener ciertas cantidades específicas de energía, que conforman niveles diferentes.

Si un electrón se encuentra en un nivel de energía inferior, puede pasar a un nivel de energía superior si colisiona contra él un fotón cuya energía coincida exactamente con la diferencia entre ese nivel superior y el inferior en el que está el electrón.

Del mismo modo, cuando se obliga a un electrón a descender a un nivel energético inferior, el átomo emite un fotón con una energía que coincide con la diferencia de energía entre los niveles.

Los átomos de rubidio tienen dos “huecos” en sus niveles que la tecnología de Kumar aprovecha: uno que equivale exactamente a la energía de un fotón de microondas y otro que equivale exactamente a la energía de un fotón óptico.

Utilizando láseres para desplazar la energía de los electrones del átomo hacia arriba y hacia abajo, la tecnología permite que el átomo absorba un fotón de microondas con información cuántica y emita un fotón óptico con esa información cuántica.

Esta conversión entre distintos modos de información cuántica se denomina “transducción”.

Otro componente clave del sistema es la cámara reflectante superconductora, donde queda atrapado un fotón.

Al forzar al fotón a rebotar en un espacio cerrado, la cavidad superconductora refuerza la interacción entre el fotón y cualquier materia que se coloque en su interior.

La cámara no parece muy cerrada; de hecho, se parece más a un trozo de queso suizo.

Pero lo que parecen agujeros son en realidad túneles que se cruzan unos con otros siguiendo una geometría muy específica, de modo que los fotones o los átomos pueden quedar atrapados en una intersección.

Este diseño también permite a los investigadores acceder a la cámara para poder inyectar los átomos y los fotones.

El nuevo sistema funciona en ambos sentidos: puede transferir información cuántica de fotones de microondas a fotones ópticos, y viceversa.

Por tanto, puede estar a ambos lados de una conexión a larga distancia entre dos computadores cuánticos con qubits superconductores y servir como pieza fundamental para una internet cuántica.

Fuente: Nature