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Jun 30, 2023

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19 de abril de 2023 Este

19 de abril de 2023

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por ICFO

La teletransportación cuántica es una técnica que permite la transferencia de información cuántica entre dos objetos cuánticos distantes, un emisor y un receptor, utilizando un fenómeno llamado entrelazamiento cuántico como recurso.

La característica única de este proceso es que la información real no se transfiere mediante el envío de bits cuánticos (qubits) a través de un canal de comunicación que conecta a las dos partes; en cambio, la información se destruye en un lugar y aparece en el otro sin viajar físicamente entre los dos. Esta sorprendente propiedad está habilitada por el entrelazamiento cuántico, acompañado de la transmisión de bits clásicos.

Existe un gran interés en la teletransportación cuántica hoy en día dentro del campo de las comunicaciones cuánticas y las redes cuánticas porque permitiría la transferencia de bits cuánticos entre nodos de red a través de distancias muy largas, utilizando entrelazamientos previamente compartidos.

Esto ayudaría a la integración de las tecnologías cuánticas en las redes de telecomunicaciones actuales y extendería las comunicaciones ultraseguras habilitadas por estos sistemas a distancias muy largas. Además, la teletransportación cuántica permite la transferencia de información cuántica entre diferentes tipos de sistemas cuánticos, por ejemplo, entre luz y materia o entre diferentes tipos de nodos cuánticos.

La teletransportación cuántica se propuso teóricamente a principios de los 90 y varios grupos de todo el mundo llevaron a cabo demostraciones experimentales. Si bien la comunidad científica ha adquirido una amplia experiencia sobre cómo realizar estos experimentos, todavía hay una pregunta abierta sobre cómo teletransportar información de manera práctica, lo que permite una comunicación cuántica confiable y rápida a través de una red extendida.

Parece claro que dicha infraestructura debería ser compatible con la red de telecomunicaciones actual. Además, el protocolo de teletransportación cuántica requiere que se aplique una operación final sobre el qubit teletransportado, condicionada al resultado de la medición de la teletransportación (transmitida por bits clásicos), para transferir la información fielmente y a mayor velocidad, una característica denominado feed-forward activo.

Esto significa que el receptor requiere un dispositivo conocido como memoria cuántica que pueda almacenar el qubit sin degradarlo hasta que se pueda implementar la operación final. Finalmente, esta memoria cuántica debería poder operar de manera multiplexada para maximizar la velocidad de teletransporte de información cuando el remitente y el receptor están lejos. Hasta la fecha, ninguna implementación había incorporado estos tres requisitos en la misma demostración.

En un estudio reciente publicado en Nature Communications, los investigadores del ICFO Dario Lago-Rivera, Jelena V. Rakonjac y Samuele Grandi, dirigidos por el Prof. ICREA del ICFO Hugues de Riedmatten, informaron haber logrado la teletransportación a larga distancia de información cuántica de un fotón a un sólido. qubit de estado, un fotón almacenado en una memoria cuántica multiplexada.

La técnica involucró el uso de un esquema de avance activo, que, junto con la multimodalidad de la memoria, ha permitido la maximización de la tasa de teletransportación. La arquitectura propuesta era compatible con los canales de telecomunicaciones y, por lo tanto, permitía la futura integración y escalabilidad para la comunicación cuántica de larga distancia.

El equipo construyó dos montajes experimentales, que en la jerga de la comunidad suelen llamarse Alice y Bob. Las dos configuraciones estaban conectadas por una fibra óptica de 1 km enrollada en un carrete, para emular una distancia física entre las partes.

Tres fotones estuvieron involucrados en el experimento. En la primera configuración, Alice, el equipo usó un cristal especial para crear dos fotones entrelazados: el primer fotón a 606 nm, llamado fotón de señal, y el segundo fotón llamado fotón inactivo, compatible con la infraestructura de telecomunicaciones.

Una vez creado, "guardamos el primer fotón de 606 nm en Alice y lo almacenamos en una memoria cuántica de estado sólido multiplexada, manteniéndolo en la memoria para su procesamiento futuro. Al mismo tiempo, tomamos el fotón de telecomunicaciones creado en Alice y lo enviamos a través del kilómetro de fibra óptica para llegar al segundo montaje experimental, llamado Bob", recuerda Darío Lago.

En esta segunda configuración, Bob, los científicos tenían otro cristal donde crearon un tercer fotón, donde habían codificado el bit cuántico que querían teletransportar. Una vez que se creó el tercer fotón, el segundo fotón llegó a Bob desde Alice, y aquí es donde tiene lugar el núcleo del experimento de teletransportación.

Los fotones segundo y tercero interfirieron entre sí a través de lo que se conoce como medición de estado de campana (BSM). El efecto de esta medida fue mezclar el estado del segundo y tercer fotón. Gracias a que el primer y el segundo fotón estaban entrelazados en un principio, es decir, su estado conjunto estaba muy correlacionado, el resultado del BSM fue transferir la información codificada en el tercer fotón al primero, almacenada por Alice en el memoria cuántica, a 1 km de distancia.

Como mencionan Dario Lago y Jelena Rakonjac, "somos capaces de transferir información entre dos fotones que nunca antes estuvieron en contacto, pero conectados a través de un tercer fotón que sí estaba enredado con el primero. La singularidad de este experimento radica en el hecho de que empleó una memoria cuántica multiplexada capaz de almacenar el primer fotón durante el tiempo suficiente para que, cuando Alice descubriera que había ocurrido la interacción, aún pudiéramos procesar la información teletransportada como lo requiere el protocolo".

Este procesamiento que mencionan Dario y Jelena fue la técnica de avance activo mencionada anteriormente. Dependiendo del resultado del BSM, se aplicó un cambio de fase al primer fotón después del almacenamiento en la memoria. De esta forma, siempre se codificaría el mismo estado en el primer fotón. Sin esto, la mitad de los eventos de teletransportación tendrían que descartarse.

Además, la multimodalidad de la memoria cuántica les permitió aumentar la tasa de teletransportación más allá de los límites impuestos por la separación de 1 km entre ellos sin degradar la calidad del qubit teletransportado. En general, esto dio como resultado una tasa de teletransportación tres veces mayor que la de una memoria cuántica monomodo, solo limitada por la velocidad del hardware clásico.

El experimento realizado por este grupo en 2021, donde lograron por primera vez entrelazar dos memorias cuánticas multimodo separadas 10 metros y precedidas por un fotón en la longitud de onda de las telecomunicaciones, ha sido el precursor de este experimento.

Como enfatiza Hugues de Riedmatten, "el teletransporte cuántico será crucial para permitir la comunicación a larga distancia de alta calidad para el futuro internet cuántico. Nuestro objetivo es implementar el teletransporte cuántico en redes cada vez más complejas, con entrelazamiento previamente distribuido. El estado sólido y la naturaleza multiplexada de nuestros nodos cuánticos, así como su compatibilidad con la red de telecomunicaciones, los convierte en un enfoque prometedor para implementar la tecnología a larga distancia en la red de fibra instalada".

Ya se están planificando otras mejoras. Por un lado, el equipo se centra en desarrollar y mejorar la tecnología para extender la configuración a distancias mucho más largas manteniendo la eficiencia y las tasas. Por otro lado, también apuntan a estudiar y utilizar esta técnica en la transferencia de información entre diferentes tipos de nodos cuánticos, para una futura Internet cuántica que podrá distribuir y procesar información cuántica entre partes remotas.

Más información: Dario Lago-Rivera et al, Teletransportación cuántica multiplexada de larga distancia de un fotón de telecomunicaciones a un qubit de estado sólido, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-37518-5

Información del diario:Comunicaciones de la naturaleza

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