Fotones indistinguibles a partir de nodos cuánticos atómicos diferentes
Investigadores del ICFO obtienen un récord mundial de indistinguibilidad entre dos fotones procedentes de dos nodos cuánticos diferentes cuando no se descarta ninguna detección. Estos resultados allanan el camino hacia futuras redes cuánticas heterogéneas.
El desarrollo del internet cuántico es un esfuerzo notable que se realiza paralelo a la búsqueda de ordenadores cuánticos prácticos. Esta red cuántica tiene como objetivo facilitar el intercambio de bits cuánticos de información (llamados qubits) entre procesadores cuánticos, permitiendo niveles sin precedentes de comunicación segura y potencia computacional.
Un objetivo clave de una red cuántica es crear un entrelazamiento remoto entre dos unidades de procesamiento distantes, que luego pueden utilizarse para aplicaciones específicas. Para lograrlo, los investigadores están explorando una nueva tecnología llamada repetidor cuántico, que facilita la generación y transmisión de entrelazamiento entre dos estaciones intermedias, conocidas como nodos cuánticos. Sin embargo, los sistemas físicos utilizados como repetidores cuánticos pueden diferir significativamente de los utilizados en los ordenadores cuánticos. Por lo tanto, es crucial desarrollar una interfaz entre estas diversas plataformas.
La interfaz entre estos sistemas normalmente implica enviar fotones individuales desde cada uno y hacerlos interferir. La calidad de esta interferencia cuántica determina la eficacia con la que se puede distribuir el entrelazamiento por la red. Lograr una interferencia de alta calidad es un desafío porque los fotones deben ser indistinguibles, y cuando los nodos cuánticos se basan en diferentes tecnologías, hacer que emitan fotones indistinguibles es particularmente difícil. Una solución común a este problema es seleccionar sólo una pequeña parte de los fotones emitidos, lo que aumenta la indistinguibilidad, pero a expensas de una fuerte reducción en la tasa de detección.
En este contexto, los investigadores del ICFO Dr. Félix Hoffet, Dr. Jan Lowinski, Dr. Lukas Heller, Dr. Auxiliadora Padrón-Brito, dirigidos por el Prof. ICREA Hugues de Riedmatten, han logrado producir fotones altamente indistinguibles a partir de nodos cuánticos diferentes sin descartar ninguna detección, logrando un récord mundial de indistinguibilidad en el campo de las redes cuánticas híbridas en tales condiciones. Los resultados se han publicado recientemente en Physical Review X Quantum.
Cómo obtener fotones indistinguibles a partir de nodos cuánticos
Para comprobar la indistinguibilidad de los fotones emitidos, el equipo primero tuvo que recrear la unidad básica típica de una red cuántica: dos nodos cuánticos con diferentes tecnologías. En su caso, los dos nodos se basaban en átomos fríos de Rubidio. Uno de ellos se basó en un conjunto de Rydberg frío completamente bloqueado (a veces llamado superátomo de Rydberg). Este sistema permite capacidades de procesamiento cuántico y, en este experimento, generó fotones individuales bajo demanda. El otro era un nodo repetidor cuántico basado en una memoria cuántica emisora y que emitía fotones individuales anunciados.
Los investigadores utilizaron la memoria cuántica para sincronizar la emisión de los dos fotones. En la memoria emisora se realizan varias pruebas de generación hasta que la detección de un fotón anuncia la presencia de un fotón en la memoria. Luego, el fotón se almacena en la memoria cuántica mientras se envía una señal clásica al nodo de Rydberg, que se utiliza como disparador para generar otro fotón único de una manera casi determinista. Finalmente, el primer fotón se libera de la memoria cuántica en un momento preciso y los dos fotones se mezclan en un divisor de haz donde se produce una interferencia cuántica. La calidad de esta interferencia cuántica depende entonces de la indistinguibilidad entre los dos fotones.
Para lograr el hito conseguido, los investigadores tuvieron que desarrollar varias técnicas nuevas. En primer lugar, adaptaron las formas de onda temporales de los fotones individuales emitidos para que coincidieran entre sí, lo que ya es un resultado importante. Lo lograron modulando los láseres utilizados para leer las excitaciones atómicas.
Además, dado que estos nodos cuánticos operan de forma independiente, están sujetos a fluctuaciones experimentales no correlacionadas. Esto suele dar lugar a numerosos problemas, ya que puede hacer que los fotones sean distinguibles, interrumpiendo así la interferencia cuántica en unos pocos minutos. Esta cuestión es fundamental porque los nodos cuánticos necesitan mantener sus propiedades cuánticas durante períodos prolongados, que duran varios días. Para abordar esta limitación, los investigadores desarrollaron nuevas técnicas de estabilización. Midieron periódicamente las resonancias atómicas y ajustaron dinámicamente los experimentos en función de los resultados, garantizando un rendimiento cuántico constante durante decenas de horas.
Un paso más cerca del Internet cuántico
Este desafiante experimento proporcionó un terreno fértil para observar efectos no lineales que habían sido predichos por la teoría, pero nunca confirmados experimentalmente. En general, este experimento demuestra que los sistemas atómicos fríos son candidatos prometedores para extender las redes cuánticas. Los investigadores ahora pretenden reutilizar las técnicas que han desarrollado y ampliar su configuración experimental para demostrar que es factible distribuir el entrelazamiento entre sistemas híbridos.
Según el Dr. Félix Hoffet, investigador del ICFO y primer autor del estudio: “Los átomos fríos son interesantes para este tipo de experimentos porque, a diferencia de otros sistemas, cada átomo es idéntico. Soy optimista en cuanto a que esta sutil distinción resultará beneficiosa a largo plazo para conectar procesadores cuánticos con repetidores cuánticos. Además, dado el rápido progreso en ambos campos de investigación, creo que ahora es importante cerrar la brecha entre estas diferentes plataformas y considerar ya una integración a mayor escala. Estoy muy contento de poder contribuir con las ideas iniciales a esta gran iniciativa”.
Hugues de Riedmatten, profesor ICREA en ICFO, concluye “Es probable que las futuras redes cuánticas combinen diferentes nodos cuánticos hechos de diferentes sistemas físicos y con diferentes funcionalidades. Crear una interfaz que permita la distribución del entrelazamiento entre sistemas cuánticos dispares es un desafío excepcional. Nuestro trabajo es un paso en esta dirección, pero quedan muchos más desafíos por delante, el primero de los cuales será interconectar nodos cuánticos hechos de diferentes átomos”.