Los investigadores de Princeton presentan una nueva forma de construir repetidores cuánticos utilizando luz lista para las comunicaciones desde un solo ion, siendo el tungstato de calcio el material ideal. El trabajo futuro tiene como objetivo mejorar la duración del almacenamiento del estado cuántico.

Un nuevo dispositivo atómico transmite información cuántica de alta resolución a través de redes de fibra óptica.

Los investigadores han revelado una nueva forma de conectar dispositivos cuánticos a largas distancias, un paso necesario para permitir que la tecnología desempeñe un papel en los futuros sistemas de comunicación.

Si bien las señales de datos clásicas actuales pueden amplificarse a través de una ciudad o un océano, las señales cuánticas no pueden. Debe repetirse a intervalos, es decir, detenerse, copiarse y pasarse por máquinas especializadas llamadas repetidores cuánticos. Muchos expertos creen que estos repetidores cuánticos desempeñarán un papel clave en las redes de comunicación futuras, permitiendo una mayor seguridad y permitiendo las comunicaciones entre computadoras cuánticas remotas.

Un nuevo enfoque para los repetidores cuánticos

El estudio de Princeton, publicado hoy (30 de agosto) en naturaleza, detalla la base de un nuevo enfoque para la construcción de repetidores cuánticos. Envía una luz lista para comunicaciones que se emite desde un solo ion implantado en un cristal. Este esfuerzo ha llevado muchos años, según Jeff Thompson, autor principal del estudio. El trabajo combina avances en diseño óptico y ciencia de materiales.

Otros diseños líderes de repetidores cuánticos emiten luz en el espectro visible, que se desintegra rápidamente a través de una fibra óptica y debe convertirse antes de que pueda viajar largas distancias. El nuevo dispositivo se basa en un único ion de tierras raras implantado en un cristal huésped. Debido a que este ion emite luz en la longitud de onda infrarroja ideal, no requiere dicha conversión de señal, lo que podría conducir a redes más simples y robustas.

Investigadores de la Universidad de Princeton han creado una nueva forma de vincular computadoras cuánticas con señales de alta resolución utilizando longitudes de onda de luz en el rango de comunicaciones. Crédito: Foto de Samir A. Khan / Fotocuerpo

Diseño y funcionalidad del dispositivo.

El dispositivo consta de dos partes: un cristal de tungstato de calcio con algunos iones de erbio incrustados y una nanopieza de silicio grabada en un canal en forma de J. El ión se pulsa con un láser especial, que emite luz a través del cristal. Pero la pieza de silicio, una pieza de semiconductor pegada a la parte superior del cristal, captura fotones individuales y los dirige hacia el cable de fibra óptica.

Idealmente, esto Fotón Estaría codificado con información del ion, dijo Thompson. O más concretamente, de una propiedad cuántica del ion llamada espín. En un repetidor cuántico, recolectar señales de nodos distantes e interferir con ellos crearía un entrelazamiento entre sus espines, permitiendo que los estados cuánticos se transmitan de un extremo a otro a pesar de las pérdidas en el camino.

Selección y prueba de materiales.

El equipo de Thomson empezó a trabajar con iones de erbio hace varios años, pero las primeras versiones utilizaban cristales diferentes que contenían mucho ruido. En particular, este ruido provocó que la frecuencia de los fotones emitidos saltara aleatoriamente en un proceso conocido como dispersión espectral. Esto evitó la sutil interferencia cuántica necesaria para el funcionamiento de las redes cuánticas. Para resolver este problema, su laboratorio comenzó a trabajar con Nathalie De Leon, profesora asistente de ingeniería eléctrica e informática, y Robert Cava, un destacado científico de materiales de estado sólido y profesor Russell Wellman Moore de Química en la Universidad de Princeton, para explorar nuevos materiales que pudieran hospedar organismos individuales. Los iones de erbio son mucho menos ruidosos.

Clasificaron la lista de candidatos de cientos de miles a unos pocos cientos, luego unas pocas docenas y luego tres. Cada uno de los finalistas tardó medio año en audicionar. Resulta que el primer artículo no era lo suficientemente claro. El segundo provocó que el erbio tuviera propiedades cuánticas débiles. Pero el tercero, el tungstato de calcio, era perfecto.

Demostrar el potencial de los nuevos materiales.

Para demostrar que el nuevo material es adecuado para redes cuánticas, los investigadores construyeron un interferómetro en el que los fotones pasan aleatoriamente por uno de dos caminos: un camino corto de varios metros de largo o un camino largo de 22 millas de largo (hecho de una fibra óptica enrollada). . la fibra). Los fotones emitidos por el ion pueden recorrer el camino largo o el camino corto, y en aproximadamente la mitad del tiempo, los fotones sucesivos toman caminos opuestos y llegan a la salida al mismo tiempo.

Cuando se produce una colisión de este tipo, la interferencia cuántica hace que los fotones abandonen la salida en pares si son esencialmente indistinguibles y tienen la misma forma y frecuencia. En caso contrario, abandonan el interferómetro individualmente. Al observar una fuerte supresión (hasta el 80 por ciento) de fotones individuales en las salidas del interferómetro, el equipo demostró definitivamente que los iones de erbio en el nuevo material emiten fotones indistinguibles. Según Salim Orari, un estudiante de posgrado que codirigió la investigación, eso sitúa la señal muy por encima del umbral de alta fidelidad.

trabajo futuro

Si bien este trabajo cruza un umbral importante, se necesita trabajo adicional para mejorar el tiempo de almacenamiento de los estados cuánticos en el espín del ion erbio. El equipo ahora está trabajando para producir tungstato de calcio con una mayor pureza, con menos impurezas que alteren los estados de espín cuántico.

Referencia: “Fotones de bandas de telecomunicaciones indistinguibles de un solo ion de erbio en estado sólido” Slim Orari, Lukasz Dusanowski, Sebastian B. Caffa, Natalie B. De León y Jeff D. Thompson, 30 de agosto de 2023, disponible aquí. naturaleza.
doi: 10.1038/s41586-023-06281-4

El artículo ha sido publicado en la revista. naturaleza Con el apoyo del Departamento de Energía de EE. UU., la Oficina de Ciencias, los Centros Nacionales de Investigación de Ciencias de la Información Cuántica y el Centro de Diseño Conjunto para Quantum Advantage (C2QA). Además de Thompson, Cava y Orari, los autores incluyen a Lukas Dusanowski, Sebastian B. Horvath, Muhammad T Uysal, Christopher M. Fennessy, Paul Stephenson, Muktik Raha, Songtao Chen y Natalie De Leon. Orari, Dusanowski, Horvarth y Uysal contribuyeron por igual.