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Jun 07, 2023

Las computadoras cuánticas pronto podrían conectarse a distancias más largas

Bartlomiej Wroblewski/iStock Al suscribirse, acepta nuestros Términos de uso y políticas. Puede cancelar la suscripción en cualquier momento. ¿Sabías que las transmisiones cuánticas no se pueden amplificar sobre una ciudad o un océano?

Bartlomiej Wróblewski/iStock

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¿Sabías que las transmisiones cuánticas no se pueden amplificar sobre una ciudad o un océano como las señales de datos convencionales? En cambio, deben repetirse periódicamente utilizando dispositivos especializados llamados repetidores cuánticos.

Para que la tecnología se utilice en futuras redes de comunicaciones, los investigadores han desarrollado un método novedoso para conectar dispositivos cuánticos a grandes distancias.

Dado que los repetidores están a punto de convertirse en cruciales para conectar computadoras cuánticas distantes y mejorar la seguridad en las redes de comunicación en el futuro, un equipo de investigadores de Princeton ha detallado un nuevo enfoque para construir repetidores cuánticos en su estudio publicado en la revista Nature el 30 de agosto.

La idea consiste en repetidores que transmiten luz preparada para telecomunicaciones gracias a un ion insertado en un cristal.

El espectro visible, que emiten otros sistemas repetidores cuánticos populares, se degrada rápidamente a través de la fibra óptica y necesita transformarse antes de enviarse a grandes distancias.

Según Jeff Thompson, autor principal del artículo, un único ion de tierras raras implantado en un cristal anfitrión sirve como base del nuevo dispositivo. Además, dado que este ion produce luz en una longitud de onda infrarroja perfecta, no necesita convertir señales, lo que puede dar como resultado redes más simples y confiables.

"El esfuerzo tardó muchos años en realizarse. El trabajo combinó avances en el diseño fotónico y la ciencia de los materiales", dijo Thompson en un comunicado de prensa.

El diseño del dispositivo tiene dos componentes, una rebanada nanoscópica de silicio que ha sido grabada en un canal en forma de J y un cristal de tungstato de calcio, que está dopado con una pequeña cantidad de iones de erbio. El ion emite luz a través del cristal cuando lo pulsa un láser único.

Sin embargo, el componente de silicio, un pequeño semiconductor unido a la punta del cristal, atrapa y dirige fotones individuales hacia el cable de fibra óptica.

El equipo explica que, idealmente, la información del ion estaría incrustada en este fotón. O, para ser más precisos, del espín del ion, un atributo cuántico. El entrelazamiento entre los espines de nodos distantes se crearía en un repetidor cuántico reuniendo e interfiriendo con las señales de esos nodos, permitiendo la transmisión de estados cuánticos de un extremo a otro a pesar de las pérdidas de transmisión.

El equipo comenzó su trabajo con iones de erbio varios años antes, pero los cristales utilizados en su versión anterior produjeron un ruido significativo. "Este ruido provocó que la frecuencia de los fotones emitidos saltara aleatoriamente en un proceso conocido como difusión espectral".

De cientos de miles de materiales potenciales, redujeron la lista a unos pocos cientos, luego a una docena y luego a tres. Las pruebas para cada uno de los tres finalistas duraron seis meses. El equipo se centró en el cristal de tungstato de calcio para obtener resultados ideales.

El equipo utilizó un interferómetro, que fusiona dos o más fuentes de luz para crear un patrón de interferencia, para demostrar que los iones de erbio en el nuevo material emiten fotones indistinguibles y eso "coloca la señal muy por encima del umbral de alta fidelidad".

Si bien este estudio supera un umbral significativo, el equipo ahora está trabajando para extender el período en el que los estados cuánticos pueden almacenarse en el espín del ion erbio. El grupo ahora se esfuerza por producir tungstato de calcio que esté más purificado y tenga menos contaminantes que interfieran con los estados de espín cuántico.

El estudio completo se publicó en Nature el 30 de agosto y se puede encontrar aquí.

Abstracto

Los defectos atómicos en estado sólido son un componente clave de las redes de repetidores cuánticos para comunicaciones cuánticas a larga distancia1. Recientemente, ha habido un gran interés en los iones de tierras raras, en particular Er3+, para su transición óptica de banda de telecomunicaciones que permite la transmisión a larga distancia en fibras ópticas. Sin embargo, el desarrollo de nodos repetidores basados ​​en iones de tierras raras se ha visto obstaculizado por la difusión espectral óptica, lo que impide la generación de un fotón único indistinguible. Aquí, implantamos Er3+ en CaWO4, un material que combina una simetría de sitio no polar, baja decoherencia de espines nucleares y está libre de iones de tierras raras de fondo, para lograr una difusión espectral óptica significativamente reducida. Para iones implantados poco profundos acoplados a cavidades nanofotónicas con un factor de Purcell grande, observamos anchos de línea óptica de escaneo único de 150 kHz y difusión espectral a largo plazo de 63 kHz, ambos cercanos al ancho de línea radiativo mejorado por Purcell de 21 kHz. Esto permite observar la interferencia de Hong-Ou-Mandel entre fotones emitidos sucesivamente con una visibilidad de V = 80(4)%, medida después de una línea de retraso de 36 km. También observamos tiempos de relajación de espín T1,s = 3,7 s y T2,s > 200 μs, este último limitado por impurezas paramagnéticas en el cristal en lugar de espines nucleares. Esto representa un paso notable hacia la construcción de redes de repetidores cuánticos de banda de telecomunicaciones con iones únicos de Er3+.