Todavía no se ha construido un prototipo de Internet cuántico real
Se están llevando a cabo investigaciones sobre computación cuántica y redes cuánticas en todo el mundo con la esperanza de desarrollar una Internet cuántica en el futuro.
Una Internet cuántica sería una red de computadoras, sensores y dispositivos de comunicación cuánticos que crearán, procesarán y transmitirán estados y entrelazamientos cuánticos y se prevé que mejore el sistema de Internet de la sociedad y proporcione ciertos servicios y seguridades que la Internet actual no tiene.
Un equipo de físicos de la Universidad de Stony Brook y sus colaboradores han dado un paso significativo 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.
El campo de la información cuántica combina esencialmente 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 transmitir información de una manera imposible de piratear.
Si bien la visión de un sistema de Internet cuántico está creciendo y el campo ha visto un aumento en el interés de los investigadores y del público en general, acompañado de un fuerte aumento en el capital invertido, no se ha construido un prototipo de Internet cuántico real.
Según el equipo de investigación de Stony Brook, el obstáculo clave para lograr el potencial de hacer que las redes de comunicación sean más seguras, sistemas de medición más precisos y algoritmos para ciertos análisis científicos más potentes, se basa en el desarrollo de sistemas capaces de transmitir información cuántica y entrelazamiento a través de muchos nodos y a largas distancias. Estos sistemas se denominan repetidores cuánticos y representan uno de los desafíos más complejos de la investigación física actual.
Imagen: En su Laboratorio de Información Cuántica de Stony Brook, el investigador principal Eden Figueroa (izquierda) con sus colaboradores, Sonali Gera y Chase Wallace, en la investigación que investiga las capacidades cuánticas de Internet. Esperan estar en el camino para hacer realidad una Internet cuántica. Foto de John Griffin.
Los investigadores han avanzado en capacidades de repetidor cuántico en su último experimento. Construyeron y caracterizaron memorias cuánticas que funcionan a temperatura ambiente y demostraron que estas memorias tienen un rendimiento idéntico, una característica esencial cuando el objetivo es construir redes de repetidores cuánticos a gran escala que comprendan varias de estas memorias.
Probaron cuán idénticas son estas memorias en su funcionalidad enviando estados cuánticos idénticos a cada una de las memorias y realizando un proceso llamado Interferencia Hong-Ou-Mandel en las salidas de las memorias, una prueba estándar para cuantificar la indistinguibilidad 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 distorsiona significativamente el proceso de interferencia conjunta y permite el intercambio de entrelazamientos asistido por memoria, un protocolo para distribuir el entrelazamiento a largas distancias y la clave para construir repetidores cuánticos operativos.
"Creemos que este es un paso extraordinario hacia el desarrollo de repetidores cuánticos viables y la Internet cuántica", dice el autor principal Eden Figueroa.
Además, el hardware cuántico desarrollado por el equipo funciona a temperatura ambiente, lo que reduce significativamente el coste de funcionamiento y hace que el sistema sea mucho más rápido. Gran parte de la investigación cuántica no se realiza a temperatura ambiente, sino 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 no sólo ha logrado resultados de comunicación y memoria cuántica a temperatura ambiente, sino que también ha patentado su enfoque. Recibieron patentes estadounidenses sobre almacenamiento cuántico a temperatura ambiente y repetidores cuánticos de alta tasa de repetición.
"Conseguir que estas flotas de memorias cuánticas trabajen juntas a nivel cuántico y en un estado de temperatura ambiente es algo esencial para cualquier Internet cuántica a cualquier escala. Hasta donde sabemos, esta hazaña no se ha demostrado antes y esperamos continuar con esta investigación", enfatiza Figueroa, señalando que su tecnología patentada les permite probar más a fondo la red cuántica.
Los coautores Sonali Gera, investigadora postdoctoral, y Chase Wallace, estudiante de doctorado, ambos del Departamento de Física y Astronomía, trabajaron en estrecha colaboración con Figueroa, junto con otros colegas, durante la experimentación que en cierto sentido tiene como objetivo "amplificar" efectivamente el entrelazamiento a través de distancias, la función esencial de un repetidor cuántico.
"Debido a que las memorias son capaces de almacenar fotones con un tiempo de almacenamiento definido por el usuario, también pudimos mostrar la sincronización temporal de la recuperación de los fotones a pesar de que los fotones llegan a las memorias en momentos aleatorios, que es otra característica necesaria para operar un sistema repetidor cuántico", explica Gera.
Ella y Wallace añaden que algunos de los próximos pasos en la investigación del equipo son construir y caracterizar fuentes de entrelazamiento compatibles con las memorias cuánticas y diseñar mecanismos para "anunciar" la presencia de fotones almacenados en muchas memorias cuánticas.
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 infinitos en la imagen a continuación). Un fotón de cada par se envía hacia un nodo de medición central (área sombreada central en la figura), donde se almacenan en memorias cuánticas. Sus fotones asociados se envían en direcciones opuestas y también se almacenan en memorias cuánticas separadas por una distancia de 2L. Se puede utilizar una medición que cuantifique la indistinguibilidad de los dos fotones que llegan al nodo central, similar a la demostrada por el equipo de Figueroa, para entrelazar los fotones ubicados distantes.
Este protocolo equivale a "amplificar" efectivamente el entrelazamiento, ya que lo distribuye a una distancia que es el doble de la distancia (2L) que una sola fuente de fotones entrelazados podría alcanzar (L). Al unir varios de estos saltos repetidores, es posible extender el entrelazamiento a lo largo de cientos de kilómetros.
Los hallazgos se describen en un artículo publicado en npj Quantum Information: Hong-Ou-Mandel interference of single-photon-level pulses stored in independent room-temperature quantum memories
