Un equipo de físicos de la Universidad de Stony Brook y sus colegas han dado un paso importante hacia la construcción de un banco de pruebas de Internet cuántico al demostrar una medición fundamental de la red cuántica que emplea memorias cuánticas a temperatura ambiente. Sus resultados se describen en un artículo publicado en la revista Nature Quantum Information.
Se están llevando a cabo investigaciones sobre computación cuántica y redes cuánticas en todo el mundo para crear una Internet cuántica, una red de computadoras, sensores y dispositivos de comunicación cuánticos que crearán, procesarán y transmitirán estados y entrelazamientos cuánticos. Se espera mejorar el sistema de Internet de la sociedad y proporcionar algunos servicios y seguridad que la Internet actual no tiene.
El campo de la información cuántica combina aspectos de la física, las matemáticas y la computación clásica para utilizar la mecánica cuántica para resolver problemas complejos mucho más rápido que la computación clásica y transferir información indirectamente. Si bien las perspectivas de los sistemas de Internet cuánticos están creciendo y el campo ha visto un aumento en el interés de los investigadores y el público, así como un enorme aumento en el capital de riesgo, no se ha construido un verdadero prototipo de Internet cuántico.
Según el equipo de investigación de Stony Brook, los obstáculos clave para lograr la capacidad de hacer que las redes de comunicación sean más seguras, los sistemas de medición más precisos y los algoritmos para análisis científicos específicos más potentes dependen del desarrollo de sistemas que aporten información cuantitativa. muchos nodos. y a largas distancias. Estos sistemas se denominan repetidores cuánticos y suponen uno de los retos más complejos de la investigación física actual.
Los investigadores han ampliado el potencial de la rapaz cuántica en su último experimento. Crearon y caracterizaron memorias cuánticas que funcionan a temperatura ambiente y demostraron que las memorias tienen un rendimiento uniforme, una característica esencial cuando el objetivo es construir redes de repetidores cuánticos a gran escala que puedan contener muchas de estas memorias.
Probaron cuán similares eran las memorias en su desempeño enviando estados cuánticos idénticos a cada una de las memorias y realizando un proceso llamado interferencia de Hong-o-Mandel en las salidas de las memorias, cuantificando la separación de las propiedades de los fotones. Demostraron que el proceso de almacenamiento y recuperación de qubits ópticos en sus memorias cuánticas a temperatura ambiente no interrumpe significativamente el proceso interfacial y permite la conmutación integral asistida por memoria, un protocolo para la distribución de turbulencias a larga distancia y clave para la arquitectura cuántica operativa. reloj de repetición
«Creemos que este es un paso extraordinario hacia el desarrollo de repetidores cuánticos viables y la Internet cuántica», dijo el autor principal Aidan Figueroa, profesor de Stony Brook Presidential Innovation Endowed y director del Centro de Procesamiento Cuántico Distribuido, que copreside la reunión. . Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU.
El hardware cuántico desarrollado por el equipo funciona a temperatura ambiente, lo que reduce significativamente el costo de operación y hace que el sistema sea mucho más rápido. La mayor parte de la investigación cuantitativa se realiza a temperaturas cercanas al cero absoluto, que son más caras, más lentas y técnicamente más difíciles de conectar en red. Por tanto, la tecnología a temperatura ambiente es prometedora para construir redes cuánticas a gran escala.
El equipo recibió patentes estadounidenses para almacenamiento cuántico a temperatura ambiente y repetidores cuánticos de alto rendimiento.
«Combinar estos planos de memorias cuánticas para que funcionen a nivel cuántico y a temperatura ambiente es algo esencial para una Internet cuántica a cualquier escala. Hasta donde sabemos, esta funcionalidad nunca se ha demostrado antes». , y esperamos aprovechar esta investigación», subrayó Figueroa, señalando que su tecnología patentada les permite probar redes más cuantitativas.
Los coautores Sonali Gera, investigadora postdoctoral, y Chase Wallace, estudiante de doctorado del Departamento de Física y Astronomía de la Facultad de Artes y Ciencias de Stony Brook, trabajaron en estrecha colaboración con Figueroa y sus colegas durante el experimento, cuyo objetivo era eficaz. Agregar «detalle» a lo largo de la distancia, la función esencial de un repetidor cuántico.
«Debido a que las memorias pueden almacenar fotones con un tiempo de almacenamiento definido por el usuario, también pudimos mostrar la sincronía de los tiempos de recuperación de los fotones, a pesar de que los fotones llegaron en momentos aleatorios a las memorias. A pesar del alcance, que es otra característica que es necesario para operar el sistema repetidor cuántico», explicó Gira.
Ella y Wallace agregaron que algunos de los próximos pasos en la investigación del equipo son crear y caracterizar fuentes de turbulencia compatibles con memorias cuánticas y desarrollar mecanismos para «anunciar» la presencia de fotones almacenados en múltiples memorias cuánticas.
Investigación Qunect, Inc. se llevó a cabo en colaboración con científicos de la Universidad Stony Brook, una empresa derivada de tecnología cuántica con sede en Brooklyn, Nueva York, y colegas internacionales de la Universidad de Padua en Italia.
¿Cómo funciona una red de repetidores cuánticos?
Un salto de repetidor cuántico requiere dos fuentes de pares de fotones entrelazados separados por una distancia L (símbolos de infinito en la figura siguiente). Un fotón de cada par se envía a un nodo de medición central (el área sombreada central en la figura), donde se almacenan en la memoria cuántica. Sus fotones asociados se envían en direcciones opuestas y también se almacenan en memorias cuánticas separadas por una distancia de 2 L. El equipo de Figueroa ha demostrado que una medición que mide la cantidad de separación entre los dos fotones que llegan al nodo central puede usarse para atrapar fotones distantes.
Este protocolo es efectivamente equivalente a «amplificar» el entrelazamiento, ya que distribuye el entrelazamiento a lo largo de una distancia que es el doble (2L) de la distancia que una fuente de fotones entrelazados puede recibir (L). Combinando varios de estos saltos repetidores, es posible extenderse cientos de kilómetros.
