Les memòries quàntiques multiplexades faciliten la teleportació quàntica de llarga distància

La teleportació quàntica és una tècnica que permet enviar informació quàntica entre dos objectes quàntics distants, un emissor i un receptor, utilitzant, com a recurs, un fenomen anomenat entrellaçament quàntic. Allò que fa que aquest procés sigui únic i singular és que la informació real no es transmet mitjançant la transmissió de bits quàntics (qbits) a través d’un canal de comunicació que connecti a les dues parts, sinó que la informació es destrueix en un lloc i apareix a l'altre, sense haver de viatjar físicament entre tots dos. El que permet fer-ho és l'entrellaçament quàntic, juntament amb la transmissió d’allò que coneixem com a bits clàssics.

Actualment, hi ha un interès considerable en la teleportació quàntica al camp de les comunicacions quàntiques i les xarxes quàntiques, ja que utilitzar l'entrellaçament de partícules permetria la transferència de bits quàntics entre nodes de la xarxa a grans distàncies. Aquesta tècnica facilitaria la integració d'aquestes tecnologies quàntiques a les xarxes de telecomunicacions actuals, possibilitant estendre les comunicacions ultrasegures a distàncies molt llargues.

La teleportació quàntica va proposar-se teòricament a principis dels anys noranta, i diversos grups de tot el món van dur a terme demostracions experimentals. Si bé en aquests anys la comunitat científica ha adquirit una àmplia experiència sobre com fer aquests experiments, com teleportar la informació de manera pràctica per a permetre una comunicació quàntica fiable i ràpida a través d'una xarxa estesa, és encara un assumpte pendent.

Aquesta infraestructura hauria de ser compatible amb la xarxa de telecomunicacions actual. Però, a més, cal que s'apliqui una operació final al protocol de teleportació quàntica sobre el qbit amb la informació teleportada, una característica que s'anomena “feed-forward” actiu, per permetre que la transmissió de la informació es pugui fer de manera fidel i a més velocitat. Per això, el receptor ha de posseir un dispositiu conegut com a memòria quàntica que pugui emmagatzemar el qbit, sense degradar-lo, fins que es pugui implementar l'operació final. Finalment, aquesta memòria quàntica ha de poder operar de manera multiplexada o multimodal, per maximitzar la velocitat de teleportació de la informació quan l’emissor i el receptor són lluny l’un de l’altre. Fins ara, cap implementació ha incorporat tots aquests requisits en la mateixa demostració.

En un estudi recent publicat a Nature Communications, els investigadors de l'ICFO Darío Lago-Rivera, Jelena V. Rakonjac i Samuele Grandi, dirigits pel Prof. ICREA a l'ICFO Hugues de Riedmatten, han aconseguit teleportar a llarga distància informació quàntica, d'un fotó a un qbit d'estat sòlid, és a dir, un fotó emmagatzemat en una memòria quàntica multiplexada. La tècnica inclou l'ús del “feed-forward” actiu (esquema de pre-alimentació activa), que juntament amb la multimodalitat/multiplexitat de la memòria ha permès maximitzar la taxa de teleportació dels qbits. El disseny proposat és compatible amb els canals de telecomunicacions i, per tant, permetria la futura integració i escalabilitat per a la comunicació quàntica de llarga distància.

Com aconseguir la teleportació quàntica 

L'equip va construir dues estacions experimentals, que en l'argot de la comunitat solen anomenar-se Alice i Bob. Totes dues estaven connectades a través d’una fibra òptica de 1 km enrotllada en una bobina, per emular una distància física entre les parts.

L'experiment constava de tres fotons. A la primera estació (Alice), l'equip va fer ús d’un cristall especial per crear dos fotons entrellaçats: el primer fotó a 606 nm, anomenat fotó de senyal (fotó 1), i el segon fotó de 1436 nm anomenat fotó inactiu (fotó 2), compatible amb la infraestructura de telecomunicacions. Un cop creat, “Vam guardar el primer fotó de 606 nm a Alice i el vam emmagatzemar en una memòria quàntica d'estat sòlid multiplexada, mantenint-lo allà per al seu processament futur. Alhora, vam agafar el fotó 2 de telecomunicacions, creat a Alice, i vam enviar-lo a través d’1km de fibra òptica per arribar a la segona estació, anomenada Bob”, comenta Darío Lago.

En aquesta segona estació, Bob, hi ha un altre cristall on els investigadors van crear un tercer fotó (fotó 3), codificat amb el bit quàntic que volien teleportar. Quan es va crear el tercer fotó, el fotó 2 ja havia arribat des d'Alice a Bob, i és llavors on ocorre la teleportació.

Teleportant informació a 1km de distància

Els fotons 2 i 3 van interferir entre ells a través del que es coneix com a mesura d'estat de campana (BSM o Bell State Measurement en anglès). L'efecte d'aquesta mesura va ser barrejar els estats dels fotons 2 i 3. Gràcies al fet que el fotó 1 i el fotó 2 estaven entrellaçats des del principi, és a dir, les seves propietats estaven correlacionades, el resultat del BSM va ser transferir la informació codificada del fotó 3 al fotó 1, emmagatzemat a la memòria quàntica d’Alice a 1 km de distància. Tal i com expliquen Darío Lago i Jelena Rakonjac, “Som capaços de transferir informació entre dos fotons que no havien estat en contacte mai abans, connectats a través d'un tercer fotó entrellaçat amb el primer. La singularitat d'aquest experiment rau en que fem servir una memòria quàntica multiplexada capaç d'emmagatzemar el primer fotó durant el temps suficient per a què, quan el primer dispositiu, Alice, detecta que la interacció ja ha passat, encara podem processar la informació teleportada tal i com ho descriu el protocol”.

El procés esmentat va ser la tècnica de feed-forward actiu, comentada anteriorment. Depenent del resultat del BSM entre els fotons 2 i 3 s’aplicava un canvi de fase al fotó 1, una operació final després de ser emmagatzemat a la memòria. D'aquesta manera s’aconseguia codificar sempre el mateix estat al primer fotó ja que, sense això, la meitat dels esdeveniments de teleportació haurien de descartar-se. D'altra banda, la multimodalitat/multiplexació de la memòria quàntica els va permetre augmentar la taxa de teleportació més enllà dels límits imposats per la separació d'1 km entre ells, sense rebaixar la qualitat del qbit teleportat. Això va donar, com a resultat, una taxa de teleportació tres vegades més gran que la d'una memòria quàntica monomodal, limitada únicament per la velocitat del hardware clàssic.

Escalabilitat i Integració

El precursor d'aquest experiment és un experiment previ, realitzat per l'any 2021 pel mateix equip, on van aconseguir per primera vegada entrellaçar dues memòries quàntiques multimodals separades per 10 metres i precedides per un fotó a la longitud d'ona de les telecomunicacions.

Com emfatitza Hugues de Riedmatten, “La teleportació quàntica serà crucial per la comunicació a llarga distància, d'alta qualitat, en l'Internet quàntic del futur. El nostre objectiu és implementar la teleportació quàntica en xarxes cada cop més complexes, amb entrellaçament prèviament distribuït. La naturalesa multiplexada i d'estat sòlid dels nostres nodes quàntics, així com la seva compatibilitat amb la xarxa de telecomunicacions, els converteix en candidats prometedors per implementar aquesta tecnologia a llargues distàncies en la xarxa de fibra instal·lada”.

Tot i tenir la importància d’aquests resultats, ja estan en marxa millores a l'experiment. D'una banda, l'equip s'està centrant en desenvolupar i millorar la tecnologia per estendre aquesta configuració a distàncies molt més llargues, mantenint l'eficiència i les taxes de teleportació. D'altra banda, els investigadors també volen estudiar i utilitzar aquesta tècnica per transferir informació entre diferents tipus de nodes quàntics, per tal de poder establir un futur Internet quàntic que pugui distribuir i processar informació quàntica entre parts remotes. 

##

Referència: Long distance multiplexed quantum teleportation from a telecom photon to a solid-state qbit, Dario Lago-Rivera, Jelena V. Rakonjac, Samuele Grandi & Hugues de Riedmatten, Nature Communications volume 14, 1889 (2023).