Se transmite entrelazamiento entre luz y materia en la red metropolitana de Barcelona

A medida que se intensifican los esfuerzos hacia la consecución de ordenadores cuánticos muy potentes, existe un programa paralelo en rápida expansión que tiene como objetivo lograr el análogo cuántico del internet clásico. Esta nueva red cuántica proporcionará un nivel de ciberseguridad ultra-segura, garantizada por las leyes de la física cuántica y se centrará en intercambiar qubits, los elementos unitarios de la información cuántica y aquellos que forman el lenguaje de los ordenadores cuánticos. Como parte de su función, esta red proporcionará el espacio a través de la cual se podrán conectar diferentes ordenadores cuánticos, tal y como se conectan los procesadores clásicos en computación en la nube. 

Como opción natural para la futura infraestructura del Internet cuántico, la red de telecomunicaciones existente proporciona un canal casi ubicuo a través del cual la luz puede viajar distancias muy grandes con una absorción limitada. Debido a su baja absorción y alta velocidad, la luz es una gran candidata como portadora de información, ya sea clásica o cuántica. La luz láser se usa fácilmente para transferir información clásica en Internet, ya que la atenuación de la luz en las fibras ópticas se compensa con amplificadores de luz colocados cada decenas de kilómetros dentro de estas fibras. Sin embargo, la transferencia de información cuántica, es decir, la comunicación cuántica, requiere medios mucho más sofisticados.

Los bits cuánticos, los elementos principales de la comunicación cuántica, están codificados en la luz, concretamente en fotones individuales. Pero esta codificación cuántica no se puede amplificar porque las reglas de la mecánica cuántica no lo permiten: si se intenta amplificar la señal codificada cuántica, la información de esta señal que llevan los fotones se ve gravemente dañada. Por tanto, los amplificadores utilizados en las redes clásicas no se pueden utilizar para bits cuánticos como amplificadores. Esto significa que se necesita una tecnología radicalmente nueva para construir una versión cuántica del internet: el repetidor cuántico.

Así como los amplificadores de luz garantizan la conectividad entre ubicaciones distantes, los repetidores cuánticos permitirán la comunicación a larga distancia distribuyendo el entrelazamiento entre ellos. El entrelazamiento es una propiedad exclusivamente cuántica de dos objetos que muestran correlaciones entre ellos, que no pueden reproducirse por medios clásicos, y es uno de los componentes principales de la comunicación cuántica. Puede utilizarse para transferir información cuántica, por ejemplo mediante teletransportación cuántica entre dos nodos de un sistema de repetidor cuántico.

Una forma de establecer el entrelazamiento remoto entre dos nodos es mediante la transmisión directa: se puede generar un par de fotones entrelazados, uno de los cuales permanece quieto en el lugar mientras el otro viaja a la otra ubicación. El segundo fotón que viaja debe ser compatible con la transmisión por fibra óptica, mientras que el primero debe almacenarse en una memoria cuántica, proceso que se conoce como entrelazamiento entre luz y materia. 

Ahora bien, para acoplar varios nodos y lograr un entrelazamiento a larga distancia entre memorias cuánticas, se necesita un conjunto de repetidores cuánticos. Una arquitectura prometedora para estos nodos repetidores cuánticos se basa en buscar acoplar la generación espontánea de unos pares de fotones - un proceso conocido como conversión descendente espontánea (SPDC)- con una memoria cuántica externa.

Este es el enfoque que han adoptado los investigadores del ICFO. En el estudio publicado en Optica Quantum, Jelena Rakonjac, Samuele Grandi, Sören Wengerowsky, Dario Lago-Rivera y Felicien Appas, dirigido por el profesor ICREA del ICFO Hugues de Riedmatten, demuestran la transmisión de entrelazamiento entre materia y luz a lo largo de decenas de kilómetros a través de fibra óptica. 

En su experimento, lograron generar pares de fotones, uno de los cuales se emite en la longitud de onda de telecomunicaciones de 1436 nm, mientras que el otro se emite en 606 nm, compatible con las memorias cuánticas de estado sólido, construidas con cristales especiales dopados con átomos de tierras raras.

Luego utilizaron la red metropolitana de fibra óptica de Barcelona, conectando su sistema a dos fibras que iban desde ICFO, en Castelldefels, hasta el Centro de Telecomunicaciones de Cataluña (CTTI), en Hospitalet de Llobregat. Al conectar ambos centros (ida y vuelta), crearon un anillo de 50 km, enviando los fotones hasta el centro de Barcelona y de regreso al ICFO. Con esto, demostraron que, después de un viaje completo de 50 km, la luz generada en el laboratorio mantenía sus características cuánticas, demostrando que los qubits fotónicos mantienen lo que se llama “coherencia” al recorrer decenas de kilómetros en una fibra óptica, incluso en área metropolitana.

Sin embargo, la comunicación cuántica requiere utilizar y verificar el entrelazamiento entre ubicaciones remotas, donde los fotones entrelazados se detectan en ubicaciones bien separadas en el espacio y el tiempo. Teniendo esto en cuenta, los investigadores ampliaron su red con un nuevo nodo, esta vez ubicado en la fundación i2CAT, un edificio de Barcelona, a unos 44 kilómetros del ICFO a través de la red local de fibra óptica y 17 kilómetros en línea recta.

En i2CAT instalaron un detector de telecomunicaciones para medir la llegada de fotones de 1436nm que llegaban a través de una de las fibras, mientras que la otra fibra estaba conectada a un transductor. Cuando el detector detectaba que un fotón había llegado, la señal eléctrica generada del detector se convertía nuevamente en luz gracias al transductor y se enviaba a través de la línea de la segunda fibra óptica. De este modo, la información pudo transmitirse al ICFO con gran precisión, aunque el fotón de 1436nm se detectó a unos 17 kilómetros de distancia.

El experimento validó el sistema utilizado para generar entrelazamiento entre materia y luz y ha demostrado ser uno de los candidatos pioneros para el desarrollo de un nodo-repetidor cuántico, la tecnología que permite la comunicación cuántica a larga distancia. Ya se han realizado demostraciones de prueba de principio en el laboratorio y el grupo ahora está trabajando para mejorar el rendimiento tanto de la memoria como de la fuente generadora de pares de fotones.

Por otra parte, los investigadores del ICFO estan colaborando de manera activa con Cellnex (Xarxa obierta de Catalunya) en la puesta en marcha de un nuevo laboratorio en la torre de Collserola, en el contexto de los proyectos QNetworks y EuroQCI España, para llevar a cabo la realización de un estado entrelazado entre memorias cuánticas remotas. La creación de una red troncal de larga distancia para la distribución del entrelazamiento entre memorias cuánticas es también uno de los principales objetivos del Quantum Internet Alliance (QIA), el proyecto europeo líder en la realización del internet cuántico, proyecto en el cual ICFO es un socio principal.

Los resultados de este estudio, principalmente “la transmisión del entrelazamiento entre materia y luz a través de fibras ópticas ya desplegadas en un área metropolitana, son el paso inicial hacia la realización de un internet cuántico completo, con nuestra fuente de fotones y nuestro nodo, incluyendo la memoria cuántica, como piezas esenciales en esta red", tal y como comenta Samuele Grandi, investigador del ICFO y coprimer autor del estudio.

Como concluye el profesor ICREA del ICFO Hugues de Riedmatten: “El entrelazamiento de materia-luz es un recurso clave para la comunicación cuántica y se demostró muchas veces en el laboratorio. Demostrarlo en la red de fibra instalada metropolitana es un primer gran paso para conseguir llevar a cabo pruebas de la tecnología de repetidores cuánticos en el área de Barcelona, preparando el terreno para redes de larga distancia basadas en fibra óptica”. 

Este proyecto ha sido financiado parcialmente por la Generalitat de Cataluña, en particular por el Acuerdo de Gobierno marco “Quàntica – Vall de la Mediterrània de les Ciències i les Tecnologies Quàntiques” GOV/51/2022, impulsado por la Secretaría de Políticas Digitales, y la Los programas QInfinity, Qollserola, Qsunset y QuantumCAT, así como el proyecto europeo Quantum Internet Alliance, y los programas nacionales Q-networks, EuroQCI-España y Plan Complementario a las Comunicaciones Cuánticas.

Referencia: Transmission of Light-Matter Entanglement over a Metropolitan Network, Jelena V. Rakonjac, Samuele Grandi, Sören Wengerowsky, Dario Lago-Rivera, Félicien Appas, and Hugues de Riedmatten, Optica Quantum 1, 94-102 (2023).

Agradecimientos y Financiación:FUNDACIÓ Privada MIR-PUIG; Fundación Cellex; Generalitat de Catalunya (AGAUR, CERCA); Agencia Estatal de Investigación (BES-2017- 082464, CEX2019-000910-S, PID2019-106850RB- I00); Ministerio de Ciencia e Innovación (IJC2020-044956-I, PLEC2021-007669, PRTR-C17.I1); European Regional Development Fund (Quantum CAT); Horizon 2020 Framework Programme (713729, 754510, 820445); EU Horizon Europe Research and Innovation programme (EuroQCI in Spain) (Project no.101091638).”El proyecto se realiza dentro del marco del Acuerdo de Gobierno “Quàntica – Valle de la Mediterrània de les Ciències i les Tecnologies Quàntiques” GOV/51/2022, impulsado por la Secretaría de Políticas Digitales de la Generalitat de Cataluña”