Logran almacenar un único fotón en dos memorias cuánticas alejadas

Nuestros sistemas de telecomunicaciones requieren el uso de repetidores, tanto en tierra como mediante satélites, para que las señales se mantengan y puedan viajar a largas distancias. En los desarrollos hacia el futuro internet cuántico, las memorias cuánticas desempeñan ese mismo papel. Junto con las fuentes generadoras de los cúbits  o bits cuánticos, serán la otra componente básica del sistema.

Estas nuevas memorias actúan como repetidores de operaciones de datos utilizando dos características del mundo cuántico: la superposición (la posibilidad de que una partícula esté en varios estados a la vez, como el gato vivo y muerto de Schrödinger) y el entrelazamiento (correlación que se establece entre dos partículas alejadas, de tal forma que la interacción con una afecta a la otra).

Pero para llegar hasta el internet cuántico, primero es necesario entrelazar las memorias cuánticas a larga distancia y mantener el entrelazamiento de la manera más eficiente posible.

En este contexto, investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) en Castelldefels (Barcelona) han dado un gran paso, según el estudio que recoge en portada la revista Nature.

Los autores han logrado almacenar, durante un máximo de 25 microsegundos, un único fotón entre dos memorias cuánticas separadas entre sí por 10 m de distancia. Sabían que esta partícula estaba en una de las dos memorias, pero no en cuál, una situación habitual en el antintuitivo mundo cuántico.

El fotón estaría en un estado de superposición cuántico en las dos memorias a la vez, que, sorprendentemente, se encontraban separadas a varios metros.

"Los investigadores del ICFO han conseguido almacenar durante 25 microsegundos un único fotón en un estado de superposición cuántico en dos memorias a la vez, separadas por 10 m de distancia"

El equipo supo que se había creado entrelazamiento al detectar un fotón en la longitud de onda de las telecomunicaciones, que además se almacenó en las memorias cuánticas de forma múltiplex, una técnica que permite enviar varios mensajes simultáneamente por un solo canal de comunicación. Estas dos características son clave para poder escalar o extender el sistema a grandes distancias y, por primera vez, se han logrado juntas.

“Hasta ahora, otros grupos ya habían conseguido varios de los hitos logrados en este experimento, como entrelazar memorias cuánticas o almacenar fotones en memorias cuánticas con una eficiencia y tasa elevadas, pero la singularidad de este experimento es que nuestras técnicas lo han logrado de manera conjunta y eficiente, y que el sistema puede llegar a extenderse a grandes distancias", destaca Darío Lago, uno de los autores del estudio.

Técnicamente, los investigadores han sido los primeros en conseguir un entrelazamiento entre dos memorias cuánticas de estado sólido (materia-materia), con propiedades multimodo (con diversos modos de propagación), remotas (colocadas a cierta distancia) y operando en la longitud de onda de las telecomunicaciones actuales.

Por tanto, es una tecnología potencialmente escalable que se podría integrar a la red de comunicación tradicional de fibra óptica, allanando el camino para operar a largas distancias en el futuro internet cuántico.

Configuración del experimento

Para realizar el experimento, el equipo utilizó como memorias cuánticas unos cristales dopados con praseodimio, un elemento químico del grupo de las llamadas tierras raras.

El sistema podría integrarse a la red de comunicación tradicional de fibra óptica, allanando el camino para operar a largas distancias en el futuro internet cuántico

También se utilizaron dos fuentes generadoras de pares de fotones, correlacionados e individuales. En cada par de fotones, había uno llamado “mensajero”, con una longitud dentro del rango de las telecomunicaciones de 1436 nm; y otro llamado “señal”, con una longitud de onda de 606 nm.

Los fotones señal se enviaron a una memoria cuántica, formada por millones de átomos colocados aleatoriamente dentro de un cristal, y se almacenaron allí a través de un protocolo llamado AFC (por las siglas en inglés de peine de frecuencia atómica).

A su vez, los fotones mensajeros se enviaron a través de una fibra óptica a un dispositivo llamado divisor de haz, donde se borró por completo la información sobre su origen y trayectoria.

Otro de los autores, Samuele Grandi, comenta: “Borramos cualquier tipo de característica que nos dijera de dónde procedían los fotones mensajeros, porque no queríamos tener ninguna información sobre el fotón señal ni intuir en qué memoria cuántica se estaba almacenando”.

Al borrar estas características, el fotón señal podía almacenarse en cualquiera de las memorias cuánticas, lo que significaba que había entrelazamiento entre ellas.

Un clic verifica el entrelazamiento

Para confirmar y verificar que, de hecho, se había conseguido un entrelazamiento, los científicos veían en el monitor un clic cada vez que un fotón mensajero llegaba al detector. Este entrelazamiento era el fotón señal en estado de superposición entre las dos memorias cuánticas, almacenándose como una excitación compartida por decenas de millones de átomos durante un máximo de 25 microsegundos.

Como memorias cuánticas se han usado cristales dopados con praseodimio, una tierra rara, y se ha operado con fotones señal y mensajeros para realizar el experimento

“Lo curioso es que no era posible saber si el fotón estaba almacenado en la memoria cuántica del laboratorio 1 o del laboratorio 2, que estaban a más de 10 metros de distancia –destacan Darío y Sam–. Aunque esta es la característica principal de nuestro experimento, y por tanto algo que esperábamos que ocurriese, los resultados en el laboratorio seguían siendo contrarios a la intuición. Y aún más peculiar y alucinante para nosotros, ¡fuimos capaces de controlarlo!”.

En estudios anteriores también se ha experimentado con el entrelazamiento y memorias cuánticas utilizando fotones mensajeros para saber si el entrelazamiento entre las memorias cuánticas había tenido éxito o no. 

El fotón mensajero actúa como una paloma mensajera, y los científicos pueden saber a su llegada que se ha establecido el entrelazamiento entre las memorias cuánticas. Cuando esto sucede, los intentos para lograrlo se detienen y el entrelazamiento se almacena en las memorias antes de ser analizado.

Pero en este experimento se usa un fotón mensajero en la frecuencia de las telecomunicaciones. Por eso, el entrelazamiento que se produce podría establecerse con un fotón compatible con las redes de telecomunicaciones existentes. Esto representa una hazaña considerable, al permitir crear entrelazamientos a largas distancias y que estas tecnologías cuánticas se puedan integrar fácilmente en las redes e infraestructuras clásicas de telecomunicaciones que ya existenten.

Multiplexación en repetidores cuánticos

Otro de los puntos claves del experimento ha sido el uso de la multiplexación, la capacidad que tiene un sistema en enviar varios mensajes al mismo tiempo a través de un solo canal de transmisión. En las telecomunicaciones clásicas, es una herramienta que se utiliza con frecuencia para transmitir datos a través de internet.

En los repetidores cuánticos, esta técnica es un poco más compleja. Con las memorias cuánticas estándares, uno tiene que esperar a que el mensaje que anuncia el entrelazamiento regrese a las memorias antes de poder volver a intentar crear un nuevo entrelazamiento.

Pero a través del protocolo AFC (peine de frecuencia atómica) que permite este enfoque de multiplexación, los investigadores pueden almacenar los fotones entrelazados en muchos momentos diferentes en la memoria cuántica, sin tener que esperar a que llegue la señal de éxito antes de generar el siguiente par de fotones entrelazados.

Esta condición, denominada multiplexación temporal es una característica esencial que representa un aumento importante en el tiempo operativo del sistema, lo que conlleva a un incremento en la tasa de entrelazamiento final.

Próximo reto: enlace cuántico a 35 km 

El también coautor y profesor ICREA Hugues de Riedmatten recuerda que concibieron la idea hace 10 años y adelanta: “Los siguientes pasos son llevar el experimento fuera del laboratorio, para intentar vincular diferentes nodos y distribuir el entrelazamiento en distancias mucho mayores, más allá de lo que hemos conseguido ahora. De hecho, estamos en medio de conseguir el primer enlace cuántico de 35 km, que se hará entre Barcelona y el ICFO, en Castelldefels”.

En cualquier caso, de momento el equipo ya ha logrado todo un avance: “Nos enseñan la teoría sobre la física cuántica y lo antintuitiva que es, pero llegar al laboratorio y experimentar sus efectos, como los del entrelazamiento, y poderlos medir y controlar es una pasada”, concluye Darío.