Entrellaçament de memòries quàntiques per a repetidors quàntics: més a prop de l’Internet Quàntic

Durant la dècada dels noranta es van aconseguir avenços importants en el camp de les telecomunicacions. Estenent la xarxa a distàncies més enllà de les ciutats i àrees metropolitanes, es va marcar un abans i un després en la comunicació global. Per a poder escalar el sistema es van fer servir repetidors, que milloraven els senyals atenuats i permetien que viatgessin a distàncies més llargues, amb les mateixes característiques d'intensitat i fidelitat. Amb la integració de satèl·lits al sistema s'ha aconseguit normalitzar el fet d'estar perdut a les muntanyes d'Europa i poder parlar amb amics vivint a l'altra punta del món.

En el camí cap a construir el futur Internet quàntic, les memòries quàntiques exerceixen aquest mateix paper. Juntament amb les fonts generadores de qubits, són els components bàsics dels sistemes de comunicació quàntica. Actuen com a repetidors d'operacions de dades, utilitzant la superposició i l'entrellaçament com a ingredients claus. Però, per tal de poder operar un sistema com l'Internet quàntic, primer cal entrellaçar aquestes memòries a llarga distància i mantenir aquest entrellaçament de la manera més eficient possible.

Tot en un

La revista Nature publica un estudi en el qual els científics de l'ICFO Dario Lago, Samuele Grandi, Alessandro Seri i Jelena Rakonjac, dirigits pel professor ICREA a l'ICFO Hugues de Riedmatten, han aconseguit per primera vegada un entrellaçament matèria-matèria entre dues memòries quàntiques. Aquest entrellaçament s'ha aconseguit entre memòries d'estat sòlid, amb propietats multimodals, remotes - col·locades a certa distància -, i operant en la longitud d'ona de les telecomunicacions, sent per tant una tecnologia potencialment escalable. Dit de manera més simple; han aconseguit emmagatzemar, durant un màxim de 25 microsegons, un únic fotó entre dues memòries quàntiques separades entre si per 10 m de distància.  

L’equip sabia que el fotó estava en una de les dues memòries, però no sabien en quina. Això emfatitza la noció clàssica i anti intuïtiva que tenim de la natura; el fotó estava en un estat de superposició quàntic en les dues memòries alhora, que sorprenentment, es trobaven separades per 10 metres de distància. En detectar-se un fotó a la longitud d'ona de les telecomunicacions, els investigadors veien un clic  a un monitor, indicant que s'havia creat entrellaçament. L’emmagatzematge a les memòries quàntiques es va produir de manera múltiplex, una tècnica que permet enviar diversos missatges simultàniament per un sol canal de comunicació. Aquestes dues característiques - aconseguir entrellaçament en la longitud d'ona de les telecomunicacions i de forma múltiplex - són clau per poder escalar o estendre el sistema a grans distàncies. Aquesta és la primera vegada que s'han aconseguit juntes.

Com assenyala amb entusiasme Darío Lago, estudiant de doctorat a l’ICFO i primer autor de l'estudi: "Fins ara, altres grups ja havien aconseguit algunes de les fites aconseguides en aquest experiment, com entrellaçar memòries quàntiques o emmagatzemar-hi fotons amb una eficiència i taxa d’entrellaçament elevades. Però la singularitat d'aquest experiment és que les nostres tècniques ho han aconseguit de manera conjunta i eficient, i que el sistema podria arribar a estendre’s a grans distàncies."

Configurant l’experiment

Aconseguir aquest objectiu ha necessitat d'esforç i de temps. L'equip va preparar l'experiment durant el transcurs de diversos mesos, utilitzant com a memòries quàntiques uns cristalls dopats amb praseodimi, un element químic del grup de les terres rares[1].

També es van utilitzar dues fonts generadores de parells de fotons, correlacionats i individuals. A cada parell de fotons, n'hi havia un anomenat "missatger", amb una longitud dins de la franja de les telecomunicacions de 1436 nm; i l'altre, anomenat "senyal", amb una longitud d'ona de 606 nm. Els fotons senyal es van enviar a una memòria quàntica, formada per milions d'àtoms col·locats aleatòriament dins d'un vidre, i es van emmagatzemar-hi a través d'un protocol anomenat AFC - per les sigles en anglès de pinta de freqüència atòmica. Al seu torn, els fotons missatgers es van enviar a través d'una fibra òptica a un dispositiu anomenat divisor de feix, on es va esborrar del tot la informació sobre el seu origen i trajectòria. Samuele Grandi, investigador postdoctoral i coautor de l'estudi, comenta: “Vam esborrar qualsevol tipus de característica que ens digués d'on procedien els fotons missatgers, perquè no volíem tenir cap informació sobre el fotó senyal ni intuir en quina memòria quàntica s'estava emmagatzemant”. En esborrar aquestes característiques, el fotó senyal podria emmagatzemar-se en qualsevol de les memòries quàntiques, el que significava que hi havia entrellaçament entre elles.

Per confirmar i verificar que, de fet, s'havia aconseguit un entrellaçament, els científics veien en el monitor un clic cada vegada que un fotó missatger arribava al detector. Aquest entrellaçament era el fotó senyal en estat de superposició entre les dues memòries quàntiques, emmagatzemant com una excitació compartida per desenes de milions d'àtoms durant un màxim de 25 microsegons.

Com mencionen el Darío i el Sam, “El més curiós de l'experiment és que no era possible saber si el fotó estava emmagatzemat a la memòria quàntica de laboratori 1 o de laboratori 2, que estaven a més de 10 metres de distància. Tot i que aquesta és la característica principal del nostre experiment, i per tant des del principi esperàvem que passés alguna cosa, els resultats al laboratori van confirmar-se contraris a la intuïció. I encara més peculiar i al·lucinant per a nosaltres, vam ser capaços de controlar-los!"

La importància dels fotons missatgers

La majoria dels estudis previs ja havien experimentat amb l'entrellaçament i les memòries quàntiques utilitzant fotons missatgers, per saber si es produïa amb èxit entrellaçament entre elles o no. Un fotó missatger és com un colom missatger; quan arriba, els científics poden saber que s'ha establert l'entrellaçament entre les memòries quàntiques. Aleshores, els intents d'entrellaçament s'aturen i aquest entrellaçament s'emmagatzema en les memòries abans de ser analitzat.

En aquest experiment es fa servir un fotó missatger en la freqüència de les telecomunicacions. Això vol dir que l'entrellaçament que es produeix podria establir-se d’igual manera amb un fotó compatible amb les xarxes de telecomunicacions existents. Aquest fet representa una gesta considerable, ja que permetria crear entrellaçaments a llargues distàncies, i que aquestes tecnologies quàntiques s'integressin fàcilment a les xarxes i infraestructures clàssiques de telecomunicacions ja existents.

La multiplexació es clau

La multiplexació és la capacitat que té un sistema d’enviar diversos missatges simultàniament a través d'un sol canal de transmissió. En les telecomunicacions clàssiques, és una eina que s'utilitza amb freqüència per transmetre dades a través d'Internet, però als repetidors quàntics, aquesta tècnica és una mica més complexa. Amb les memòries quàntiques estàndards, un ha d'esperar que el missatge que anuncia l'entrellaçament torni a les memòries abans de poder tornar a intentar crear-ne un de nou. Però a través del protocol AFC (pinta de freqüència atòmica), que permet aquest enfocament de multiplexació, els investigadors poden emmagatzemar els fotons entrellaçats en molts moments diferents en la memòria quàntica, sense haver d'esperar-se que arribi el senyal d'èxit abans de generar el següent parell de fotons entrellaçats. Aquesta condició, anomenada "multiplexació temporal" és una característica clau que representa un augment important en el temps operatiu del sistema, el que comporta un increment en la taxa d'entrellaçament final.

Propers passos

Tal i com comenta el Prof. ICREA a l’ICFO Hugues de Riedmatten: “Vam concebre aquesta idea fa més de 10 anys, i estic encantat de veure que ara ha tingut èxit al laboratori. Els següents passos seran portar l'experiment fora de laboratori, per intentar vincular diferents nodes, i distribuir l'entrellaçament a distàncies molt més grans més enllà del que hem aconseguit ara. De fet, estem en procés d'aconseguir el primer enllaç quàntic de 35 km, que es farà entre Barcelona i l'ICFO, a Castelldefels.”.

És clar que la futura xarxa quàntica portarà moltes aplicacions en un futur pròxim. Aconseguir aquest objectiu confirma que estem en el camí correcte per desenvolupar aquestes noves tecnologies i començar a implementar-les, en el que serà una nova forma de comunicació, l'Internet Quàntic.

Referència: Telecom-heralded entanglement between multimode solid-state quantum memories

Dario Lago-Rivera, Samuele Grandi, Jelena V. Rakonjac, Alessandro Seri, and Hugues de Riedmatten, Nature, 2021, https://www.nature.com/articles/s41586-021-03481-8

[1] El conjunt d’elements coneguts com a terres rares està format per disset elements químics, i inclouen els lantànids, grup on es troba el praseodimi (Pr), l’escandi (Sc) i l’itri (Y).