Un equipo internacional de investigadores ha producido, almacenado y recuperado información cuántica por primera vez, un paso crítico en la creación de redes cuánticas.
La capacidad de compartir información cuántica es crucial para desarrollar redes cuánticas para computación distribuida y comunicación segura. La computación cuántica será útil para resolver algunos tipos importantes de problemas, como optimizar el riesgo financiero, descifrar datos, diseñar moléculas y estudiar las propiedades de los materiales.
Sin embargo, este desarrollo se está retrasando porque la información cuántica puede perderse cuando se transmite a largas distancias. Una forma de superar esta barrera es dividir la red en segmentos más pequeños y vincularlos a todos con un estado cuántico compartido.
Para hacer esto se requiere un medio para almacenar la información cuántica y recuperarla nuevamente: es decir, un dispositivo de memoria cuántica. En primer lugar, este debe "hablar" con otro dispositivo que permita la creación de información cuántica.
Por primera vez, los investigadores han creado un sistema que interconecta estos dos componentes clave y utiliza fibras ópticas regulares para transmitir los datos cuánticos.
La hazaña fue lograda por investigadores del Imperial College de Londres, la Universidad de Southampton y las universidades de Stuttgart y Wurzburg en Alemania, y los resultados se publicaron en Science Advances.
La coautora principal, la Dra. Sarah Thomas, del Departamento de Física del Imperial College de Londres, dijo en un comunicado: "La interconexión de dos dispositivos clave es un paso crucial hacia adelante para permitir la creación de redes cuánticas, y estamos muy entusiasmados de ser el primer equipo que haya podido para demostrarlo".
El coprimer autor Lukas Wagner, de la Universidad de Stuttgart, añadió: "Permitir que se conecten ubicaciones de larga distancia, e incluso computadoras cuánticas, es una tarea crítica para las futuras redes cuánticas".
En las telecomunicaciones habituales, como Internet o las líneas telefónicas, la información se puede perder a grandes distancias. Para combatir esto, estos sistemas utilizan "repetidores" en puntos regulares, que leen y reamplifican la señal, asegurando que llegue intacta a su destino.
Los repetidores clásicos, sin embargo, no se pueden utilizar con información cuántica, ya que cualquier intento de leer y copiar la información la destruiría. Esto es una ventaja en un sentido, ya que las conexiones cuánticas no se pueden "explotar" sin destruir la información y alertar a los usuarios. Pero es un desafío que hay que abordar para las redes cuánticas de larga distancia.
Una forma de superar este problema es compartir información cuántica en forma de partículas de luz entrelazadas o fotones. Los fotones entrelazados comparten propiedades de tal manera que no se puede entender uno sin el otro. Para compartir el entrelazamiento a largas distancias a través de una red cuántica se necesitan dos dispositivos: uno para crear los fotones entrelazados y otro para almacenarlos y permitir su recuperación más tarde.
Hay varios dispositivos que se utilizan para crear información cuántica en forma de fotones entrelazados y almacenarla, pero generar estos fotones a pedido y tener una memoria cuántica compatible en la que almacenarlos eludió a los investigadores durante mucho tiempo.
Los fotones tienen ciertas longitudes de onda (que, en luz visible, crean diferentes colores), pero los dispositivos para crearlos y almacenarlos a menudo están sintonizados para funcionar con diferentes longitudes de onda, evitando que interactúen.
Para hacer que los dispositivos interactúen, el equipo creó un sistema en el que ambos dispositivos usaban la misma longitud de onda. Un "punto cuántico" producía fotones (no entrelazados), que luego pasaban a un sistema de memoria cuántica que almacenaba los fotones dentro de una nube de átomos de rubidio. Un láser encendía y apagaba la memoria, lo que permitía almacenar y liberar los fotones según demanda.
No solo la longitud de onda de estos dos dispositivos coincidía, sino que tenía la misma longitud de onda que las redes de telecomunicaciones utilizadas hoy en día, lo que permite transmitirla con cables de fibra óptica normales y familiares en las conexiones cotidianas a Internet.
La fuente de luz de punto cuántico fue creada por investigadores de la Universidad de Stuttgart con el apoyo de la Universidad de Würzburg, y luego llevada al Reino Unido para interactuar con el dispositivo de memoria cuántica creado por el equipo de Imperial y Southampton. El sistema fue ensamblado en un laboratorio del sótano del Imperial College de Londres.
Si bien se han creado puntos cuánticos y memorias cuánticas independientes que son más eficientes que el nuevo sistema, esta es la primera prueba de que se pueden fabricar dispositivos para interconectar y en longitudes de onda de telecomunicaciones.
El equipo ahora buscará mejorar el sistema, incluyendo asegurarse de que todos los fotones se produzcan con la misma longitud de onda, mejorar el tiempo que se pueden almacenar los fotones y hacer que todo el sistema sea más pequeño.
Sin embargo, como prueba de concepto, se trata de un importante paso adelante, afirma el coautor, el doctor Patrick Ledingham, de la Universidad de Southampton: "Los miembros de la comunidad cuántica llevan tiempo intentando activamente esta conexión. Esto nos incluye a nosotros, que hemos probado este experimento dos veces antes con diferentes dispositivos de memoria y puntos cuánticos, desde hace más de cinco años, lo que demuestra lo difícil que es hacerlo.
El gran avance esta vez fue convocar a expertos para desarrollar y ejecutar cada parte del experimento con equipos especializados y trabajar juntos para sincronizar los dispositivos".
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