Un repetidor cuántico basado en iones atrapados permite la transmisión de fotones entrelazados de longitud de onda de telecomunicaciones a lo largo de 50 km

Michal Hajdušek

(physics) Las redes de comunicación han transformado nuestra sociedad durante el último medio siglo y apenas podemos imaginar nuestra vida diaria sin ellas. Los avances recientes en el campo emergente de las tecnologías cuánticas han emocionado a los científicos sobre la posibilidad de vincular dispositivos cuánticos en redes. La comunicación cuántica a larga distancia presagia una funcionalidad que está más allá del alcance de las redes clásicas [ 1 ]. Para aprovechar al máximo el entrelazamiento y otros efectos cuánticos, las redes cuánticas intercambian señales al nivel de fotones individuales. Como resultado, la atenuación en la fibra es la principal fuente de error en estos sistemas. Sin embargo, la pérdida de fotones se puede remediar utilizando un conjunto de nodos de red intermedios, llamados repetidores cuánticos, que crean una conexión entrelazada directa entre nodos de red distantes [ 2]. Un repetidor cuántico basado en centros vacantes de nitrógeno en diamante logró recientemente el entrelazamiento de dos nodos de red separados por una distancia de 32 m [ 3 ]. Ahora Victor Krutyanskiy de la Universidad de Innsbruck en Austria y sus colegas implementaron un repetidor cuántico usando iones atrapados, que emplearon para empalmar dos enlaces entrelazados independientes de 25 km de largo en una sola conexión de 50 km de largo [4] Esta distancia es del orden requerido por las redes cuánticas prácticas en el mundo real.

La importancia de la hazaña de Krutyanskiy y sus compañeros de trabajo se puede apreciar al considerar tres características deseables que deberían tener los repetidores cuánticos en funcionamiento. El primero es la capacidad de estar equipado con memorias cuánticas [ 5 ]. Debido a la pérdida de fotones y otras ineficiencias en el hardware, la generación de entrelazamiento remoto es un proceso probabilístico. Requerir que se establezca una conexión de extremo a extremo solo si todos los enlaces de corta distancia funcionan simultáneamente conduciría a una tasa de éxito global exponencialmente pequeña. Al almacenar el entrelazamiento de corta distancia, las memorias cuánticas permiten que los enlaces fallidos repitan sus intentos de establecer el entrelazamiento.

La segunda característica deseable de los repetidores cuánticos se refiere a los propios fotones. La atenuación en las fibras ópticas varía según la longitud de onda de la luz utilizada para codificar la señal. Las fibras modernas suelen transportar señales ópticas en longitudes de onda de telecomunicaciones, alrededor de 1550 nm, en las que la atenuación de la señal es mínima. Es muy deseable que el repetidor cuántico pueda interactuar con la luz en estas longitudes de onda de telecomunicaciones [ 6 ].

La tercera característica deseable está relacionada con el «empalme» del enredo. El repetidor genera un estado entrelazado entre una memoria cuántica estacionaria y un fotón “volador” que viaja a través de la fibra. Luego repite el proceso con una memoria diferente para producir un segundo fotón volador. Los dos fotones se enrutan a nodos de red distantes, estableciendo así dos enlaces entrelazados independientes. Luego, el repetidor empalma estos enlaces a través de un procedimiento conocido como intercambio de entrelazamiento. El empalme debe ser determinista, no probabilístico, para evitar una reducción en la preciosa tasa de éxito total del enredo de extremo a extremo.

Krutyanskiy y sus colaboradores integraron las tres funciones en un solo sistema. Además, también distribuyeron con éxito el entrelazamiento entre dos nodos de red, A y B, separados por 50 km, una distancia que podría ser suficiente para aplicaciones prácticas de redes cuánticas. El equipo logró esta hazaña atrapando dos iones de calcio 40 Ca +y usarlos como dos memorias cuánticas. El protocolo del repetidor comienza inicializando los dos iones a sus estados básicos e iluminándolos secuencialmente con pulsos láser. El láser imparte suficiente energía a los iones para promoverlos a un nivel de energía superior. La descomposición posterior de los iones da como resultado que cada ion emita un fotón, lo que deja el par ion-fotón entrelazado. Los fotones se recogen en un convertidor de longitud de onda, un dispositivo que cambia la longitud de onda natural de los fotones emitidos a una longitud de onda de telecomunicaciones adecuada para su viaje por delante. Luego, los dos fotones se guían a través de carretes de fibra óptica de 25 km de largo hasta el nodo A y el nodo B. Finalmente, el repetidor ejecuta un intercambio de entrelazamiento determinista en los dos iones que posee, transformando el entrelazamiento ion-fotón en un entrelazamiento fotón-fotón. entrelazamiento que abarca 50 km.

El estado fotón-fotón final se caracteriza por tomografía de estado, donde la distribución de entrelazamiento se repite muchas veces y los fotones se miden en los nodos A y B para construir una medida estadística, conocida como fidelidad, de qué tan cerca está el fotón-fotón compartido. estado es el ideal. La fidelidad de la unidad significa un estado ideal perfecto. La fidelidad obtenida fue de 0,72, obteniendo los nodos A y B entrelazamiento con una tasa de éxito de 9,2 Hz y una probabilidad de éxito de 9,2 × 10 −4por intento. Esta fidelidad está muy por encima del umbral de 0,5 necesario para que los fotones se enreden. Además, el equipo llevó a cabo un experimento en el que el entrelazamiento fotón-fotón se distribuyó a lo largo de 50 km directamente sin repetidor. La disminución de la tasa de éxito de 6,7 Hz demostró la ventaja de utilizar esquemas asistidos por repetidores. Esta ventaja puede parecer modesta a las distancias utilizadas en el experimento. Sin embargo, sin un repetidor, la tasa de éxito se vuelve extremadamente pequeña para distancias superiores a 100 km.

En su estudio, el equipo de Innsbruck planteó una pregunta que invitaba a la reflexión: ¿Cuánto mejores deberían ser los parámetros experimentales para abarcar una distancia de extremo a extremo de 800 km con múltiples repetidores concatenados? Sorprendentemente, varios de los parámetros requieren solo una pequeña mejora. El mayor avance se necesita en el intercambiador de entrelazamiento no determinista para fotones, que sería necesario para vincular múltiples repetidores. Los investigadores presentan argumentos convincentes de que las mejoras están al alcance de la mano en un futuro próximo.

En los últimos años se han visto emocionantes demostraciones experimentales en comunicación cuántica [ 7 , 8 ]. Combinado con las capacidades de larga distancia demostradas en este trabajo, está claro que las redes cuánticas están pasando rápidamente de propuestas teóricas a implementaciones en el mundo real. Deben tenerse en cuenta dos importantes lecciones aprendidas de una red clásica, Internet. Primero, un buen hardware por sí solo no es un camino suficiente para una comunicación global escalable. Debe ir acompañado de una buena arquitectura de software. Y segundo, un buen software tarda mucho en madurar. Físicos e ingenieros están trabajando juntos para diseñar protocolos de capa de enlace especializados [ 9 ] así como arquitecturas completas de una Internet cuántica futura [ 10] para asegurarse de que el hardware y el software se desarrollen de la mano.

Referencias

S.Wehner et al. , «Internet cuántica: una visión para el camino a seguir», Science 362 (2018) .
H.-J. Briegel et al. , «Repetidores cuánticos: el papel de las operaciones locales imperfectas en la comunicación cuántica», Phys. Rev. Lett. 81 , 5932 (1998) .
  1. Pompili et al. , «Realización de una red cuántica multinodo de qubits remotos de estado sólido», Science 372 , 259 (2021) .
  2. Krutyanskiy et al. , «Nodo repetidor cuántico de longitud de onda de telecomunicaciones basado en un procesador de iones atrapados», Phys. Rev. Lett. 130 , 213601 (2023) .
PCHumphreys et al. , «Entrega determinista de entrelazamiento remoto en una red cuántica», Nature 558 , 268 (2018) .
  1. Lago-Rivera et al. , «Enredo anunciado por las telecomunicaciones entre memorias cuánticas de estado sólido multimodo», Nature 594 , 37 (2021) .
  2. Krutyanskiy et al. , «Enredo de qubits de iones atrapados separados por 230 metros», Phys. Rev. Lett. 130 , 050803 (2023) .
SLN Hermans et al. , «Teletransportación de qubits entre nodos no vecinos en una red cuántica», Nature 605 , 663 (2022) .
  1. Dahlberg et al. , «Un protocolo de capa de enlace para redes cuánticas», Proc. Grupo de Interés Especial de ACM sobre Comunicación de Datos 159 (2019) .
  2. Van Meter et al. , «Una arquitectura de Internet cuántica», 2022 IEEE Intl. Conf. Computación e Ingeniería Cuántica (QCE) 341 (2022).