Un nodo de red cuántica en la Universidad Tecnológica de Delft en Países Bajos.Crédito: Marek de Loren para QuTech
Tres grupos de investigación distintos han demostrado el entrelazamiento cuántico (donde dos o más objetos están vinculados de modo que contienen la misma información incluso si están muy separados) en varios kilómetros de fibra óptica ubicadas en áreas urbanas reales. Este logro es un gran paso hacia el futuro. En cuanto a Internetuna red que podría permitir el intercambio de información mientras se codifica en estados cuánticos.
En conjunto, estos experimentos son “las demostraciones más avanzadas hasta ahora” de la tecnología necesaria para una Internet cuántica, dice la física Tracy Northup de la Universidad de Innsbruck en Austria. Cada uno de los tres equipos de investigación, con sede en EE. UU., China y los Países Bajos, afirma que fue capaz de conectar partes de la red utilizando fotones en la parte infrarroja del espectro compatible con fibra óptica, un “hito clave” para sus colegas de Innsbruck. el físico Simon Baer.
Cómo construir una Internet cuántica
La Internet cuántica podría permitir a cualquier usuario crear claves de cifrado prácticamente irrompibles Proteger la información sensible. Pero el uso pleno del entrelazamiento podría hacer mucho más que eso, como vincular computadoras cuánticas separadas en un único dispositivo más grande y poderoso. Esta tecnología también podría permitir ciertos tipos de experimentos científicos, por ejemplo, creando redes de telescopios ópticos que tengan la resolución de un solo plato de cientos de kilómetros de diámetro.
Dos estudios1,2 Publicado en naturaleza El 15 de mayo. El tercero fue descrito el mes pasado en una preimpresión publicada en arXiv.3que aún no ha sido revisado por pares.
Entorno poco práctico
Muchos de los pasos técnicos para construir una Internet cuántica en el laboratorio se han demostrado durante la última década. Los investigadores demostraron que pueden producir fotones entrelazados utilizando rayos láser en línea de visión directa entre sí, ya sea en ubicaciones terrestres separadas o en la Tierra y en el espacio.
Pero pasar de un laboratorio a un entorno urbano es “una bestia diferente”, dice Ronald Hanson, el físico que dirigió el experimento holandés.3 En la Universidad Tecnológica de Delft. Para construir una red a gran escala, los investigadores coinciden en que puede ser necesario utilizar la tecnología de fibra óptica existente. El problema es que la información cuántica es frágil y no se puede copiar; A menudo es transportado por fotones individuales, en lugar de pulsos láser que pueden detectarse, luego amplificarse y emitirse nuevamente. Esto limita la capacidad de los fotones entrelazados de viajar sólo unas pocas decenas de kilómetros antes de que las pérdidas hagan que todo esto resulte poco práctico. “También se ve afectado por los cambios de temperatura a lo largo del día, e incluso por el viento, si está en la superficie”, dice Northup. “Es por eso que generar entrelazamientos en una ciudad física es tan importante”.
Las tres propuestas utilizaron diferentes tipos de dispositivos de “memoria cuántica” para almacenar un qubit, un sistema físico como un fotón o un átomo que puede estar en uno de dos estados, similar al “1” o al “0” de los bits de computadora normales. o en una combinación, o “superposición cuántica”.
El internet cuántico ha llegado (y no ha llegado)
En una de naturaleza En estudios realizados por Pan Jianwei en la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) en Hefei, los qubits se codificaron en los estados colectivos de nubes de átomos de rubidio.1. Los estados cuánticos de los qubits pueden sintonizarse utilizando un solo fotón, o pueden leerse “marcando” la nube atómica para emitir un fotón. El equipo de Pan tenía dichas memorias cuánticas instaladas en tres laboratorios separados en el área de Hefei. Cada laboratorio estaba conectado por fibra óptica a un “servidor óptico” central ubicado aproximadamente a 10 kilómetros de distancia. Dos de estos nodos cualesquiera pueden quedar entrelazados si los fotones de las dos nubes atómicas llegan al servidor exactamente al mismo tiempo.
Por el contrario, Hanson y su equipo crearon un vínculo entre átomos de nitrógeno individuales incrustados en pequeños cristales de diamante con qubits codificados en los estados electrónicos del nitrógeno y en… Estados nucleares de átomos de carbono cercanos3. Sus fibras ópticas parten de la universidad de Delft a través de una sinuosa ruta de 25 kilómetros a través de las afueras de La Haya hasta llegar a un segundo laboratorio en la ciudad.
En el experimento estadounidense, Mikhail Lukin, físico de la Universidad de Harvard en Cambridge, Massachusetts, y sus colaboradores también utilizaron dispositivos basados en diamantes, pero con átomos de silicio en lugar de nitrógeno, aprovechando los estados cuánticos tanto del electrón como del núcleo de silicio. .2. Los átomos individuales son menos eficientes que los grupos atómicos a la hora de emitir fotones bajo demanda, pero son más versátiles porque pueden realizar cálculos cuánticos rudimentarios. “Básicamente, conectamos dos pequeñas computadoras cuánticas”, dice Lukin. Los dos dispositivos basados en diamantes estaban ubicados en el mismo edificio en Harvard, pero para simular las condiciones de una red urbana, los investigadores utilizaron fibras ópticas que envolvieron el área local de Boston. “Cruza el río Charles seis veces”, dice Lukin.
Desafíos adelante
El procedimiento de entrelazamiento utilizado por los equipos chino y holandés requiere que los fotones lleguen a un servidor central con una precisión de sincronización exquisita, lo que fue uno de los principales desafíos de los experimentos. El equipo de Lukin utilizó un protocolo que no requería tal ajuste: en lugar de entrelazar los qubits haciéndolos emitir fotones, los investigadores enviaron un solo fotón para entrelazar un átomo de silicio en el primer nodo. Luego, el mismo fotón rodeó el anillo de fibra óptica y volvió a entrar en contacto con el segundo átomo de silicio, enredándolo así con el primero.
Pan ha calculado que, al ritmo actual de progreso, hacia finales de la década, su equipo debería ser capaz de crear una maraña de más de 1.000 kilómetros de fibra óptica utilizando una docena de nodos intermedios, mediante un procedimiento llamado intercambio de enredos. (Al principio, un vínculo de este tipo sería muy lento y tal vez crearía un entrelazamiento por segundo, añade). Pan es el investigador principal de un proyecto que utiliza el satélite. mejorque demostró las primeras comunicaciones asistidas cuánticas en el espacio y dice que hay planes para una misión de seguimiento.
“Este paso ahora se ha implementado fuera del laboratorio y en el campo”, dice Hanson. “Eso no significa que sea comercialmente útil todavía, pero es un gran paso”.