Nueva memoria cuántica de reenfase de espín para fotones individuales
COMPUTACIÓN CUÁNTICA.
Constantemente muchos de nosotros enviamos o recibimos información, transmitiendo ceros y unos a través de una enorme red de ordenadores y dispositivos conectados.
Actualmente, se trabaja para intentar extender este concepto tan familiar de internet al ámbito cuántico, buscando una forma eficiente de intercambiar información cuántica en vez de clásica, cúbits (bits cuánticos) en vez de bits convencionales. La motivación detrás de esta búsqueda no es solo curiosidad científica: los cúbits abren nuevas posibilidades para procesar información, ya que pueden ser un 0, un 1, o cualquier superposición de ambos. Además, pueden entrelazarse, mostrando un grado de correlación que resulta simplemente inalcanzable para los bits clásicos.
Parte del equipamiento técnico empleado en el trabajo. Foto: ICFO. CC BY-NC.
Un elemento clave para hacer posible la internet cuántica es el repetidor cuántico, una arquitectura diseñada para distribuir entrelazamiento cuántico a largas distancias que, a su vez, requiere de memorias cuánticas para funcionar. Estas deben ser capaces de conservar un estado cuántico durante un periodo de tiempo suficientemente largo como para sincronizar medidas entre distintos segmentos de la red y, así, establecer con éxito el entrelazamiento.
Unos investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) en Castelldefels, Barcelona, Cataluña, han dado ahora un paso importante en esta dirección.
El logro es obra de un equipo integrado por Alberto Rodríguez Moldes, Félicien Appas, Jonathan Hänni, Jelena Rakonjac, Samuele Grandi y Hugues de Riedmatten, este último científico contratado por la Institución Catalana de Investigación y Estudios Avanzados (ICREA).
Implementando el llamado protocolo de reenfase de espín, han demostrado que las memorias cuánticas de estado sólido (candidatas prometedoras para construir redes cuánticas gracias a su ya demostrada alta eficiencia, su capacidad para almacenar entrelazamiento cuántico y sus propiedades de multiplexado) pueden almacenar fotones individuales durante más tiempo del que se había conseguido hasta ahora. Estos resultados, obtenidos en el marco de la Quantum Internet Alliance (QIA), nos acercan un poco más a la internet cuántica.
El desfase, el principal obstáculo al almacenar fotones.
En el experimento presentado, el equipo generó primero un par de fotones entrelazados cuánticamente. Uno tenía una longitud de onda de telecomunicaciones, compatible con la fibra óptica para su distribución a larga distancia; el otro era compatible con la memoria cuántica, un cristal dopado con iones de praseodimio enfriado a 270 grados centígrados bajo cero en un criostato. Allí tuvo lugar el conocido protocolo de Peine de Frecuencias Atómicas (AFC, por sus siglas en inglés).
En el protocolo AFC, los átomos del cristal absorben colectivamente el fotón entrante de modo que uno de ellos se excita a un nivel de energía superior, creando una excitación atómica deslocalizada entre todos los átomos. Antes de que puedan reemitir el fotón de forma natural, se envía un pulso óptico de control para transferir la excitación colectiva al estado de espín, un nivel que no emite luz, con lo que se detiene la emisión y se almacena el fotón. Más tarde, un segundo pulso de control devuelve el conjunto al estado excitado, provocando la emisión de un fotón que transporta la misma información que el original.
El problema es que, en la práctica, la excitación colectiva no puede permanecer indefinidamente en el estado de espín. Como el entorno cristalino es ligeramente distinto para cada ion, la superposición inicial se desfasa y pierde coherencia. Si el tiempo de almacenamiento es demasiado largo, las propiedades cuánticas del fotón emitido se degradan y la información se pierde por el camino.
Protocolo de reenfase de espín para almacenar fotones individuales con correlaciones cuánticas.
Aquí es donde entra en juego el reenfase de espín, un mecanismo que contrarresta estos efectos de decoherencia cuántica. Consiste en enviar una serie de pulsos de radiofrecuencia que invierten la fase que cada ion ha acumulado tras un determinado tiempo. Después, basta con esperar el mismo periodo para que la nueva fase acumulada compense la que se invirtió, restaurando así la excitación colectiva de espín.
El equipo envió, por tanto, múltiples pulsos de radiofrecuencia para controlar con precisión cuándo esta secuencia de "inversión" y "espera" reenfasaría realmente la excitación colectiva. Llegado ese punto, enviaron el segundo pulso de control y realizaron la lectura de la memoria cuántica. Los investigadores del ICFO consiguieron así almacenar fotones individuales durante hasta 180 microsegundos (el periodo más largo registrado para este tipo de memoria), lo que equivale a una distancia de fibra óptica de más de 30 kilómetros. "En el futuro, se podrán conseguir tiempos de almacenamiento aún mayores aplicando pequeños campos magnéticos a la memoria cuántica", explica Alberto Rodríguez Moldes.
Cabe destacar que los investigadores realizaron el experimento utilizando luz cuántica, y demostraron la presencia de correlaciones cuánticas entre la memoria cuántica de reenfase de espín y el fotón de telecomunicaciones. "El reenfase de espín ya se había demostrado en el pasado con luz de entrada clásica, pero nuestros resultados muestran que puede extenderse a la cuántica", explica Hugues de Riedmatten.
El estudio se titula “Long-lived telecom-heralded single-photon storage in an absorptive spin-rephased quantum memory”. Y se ha publicado en la revista académica Physical Review Letters. (Fuente: ICFO)
Sitio Fuente: NCYT de Amazings