‘L’entrellaçament quàntic cada vegada més a prop de les línies clàssiques de telecomunicació’


María Tenorio, 10 de juliol de 2021

En el viatge cap a la computació quàntica es troben les memòries quàntiques, a on els elements essencials són els qubits. Per poder transmetre la informació, les memòries han de comunicar-se. La manera quàntica de fer-ho és mitjançant l’entrellaçament quàntic, és a dir, la superposició d’estats, en aquest cas d’un 0 i un 1. Per poder transmetre la informació a través de distàncies llargues, és molt important comptar amb repetidors quàntics, dispositius que ens permeten enviar informació quàntica a través d’una distància molt llarga i millorar-la si s’atenua amb la distància. Científics de l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO), dirigits pel professor Hugues de Riedmatten, han aconseguit entrellaçar un parell de fotons entre dues memòries quàntiques en el rang de les freqüències que fem servir avui en dia per a les telecomunicacions. El seu treball ens apropa cada cop més a la construcció d’un repetidor quàntic compatible amb les línies de telecomunicació clàssiques.

En aquest tema de Nanociència avui parlem de l’entrellaçament quàntic d’un únic fotó entre dues memòries quàntiques. Les memòries es troben separades a 10 metres de distància una de l’altra en diferents laboratoris, connectades per una xarxa de fibra òptica de 50 metres de longitud. Aquestes estan fetes d’un vidre dopat de Praseodimi, una terra rara molt eficient per a aquest tipus d’experiments, dels quals en  parlem en detall més avall.

Els investigadors de l’ICFO van emprar dues fonts per generar parells de fotons correlacionats. En aquest parell, un dels fotons adquireix el nom de ‘missatger’ (o Idler en anglès) amb una longitud d’ona dins del marc de les telecomunicacions (1436 nm) i que serà el què ens permet generar l’entrellaçament; i l’altre , anomenat senyal, diferent, té una longitud d’ona de 606 nm i que serà el fotó entrellaçat quànticament entre les dues memòries.

En particular, el fotó senyal es troba en ressonància amb un estat excitat d’un àtom de Praseodimi. Per assegurar l’emissió d’un parell de fotons indistingibles (senyal i missatger) des de dues fonts generadores de parells de fotons correlacionats, la distància relativa de les dues cavitats, separades 1.2 metres, va ser ajustada al límit d’uns pocs nanòmetres, la part més complicada de l’experiment.

El fotó missatger (Idler) es fa passar a través d’un divisor de feix (beam splitter) per poder esborrar la trajectòria del fotó. D’aquesta manera es perd la informació i el fotó senyal s’entrellaça quànticament entre les dues memòries, al no saber la seva trajectòria. Quan el fotó missatger arriba al detector, es destrueix l’entrellaçament i es pot conèixer en quina superposició d’estats es trobaven. L’avantatge que atorga el praseodimi en aquest experiment és que permet llançar diversos esdeveniments alhora (multiplicitat o multiplexing en anglès), permetent la realització d’un experiment més efectiu al poder detectar diversos fotons correlacionats seguidament sense haver d’esperar a que acabi un esdeveniment. Que aquest fotó missatger estigui dins el rang de freqüències de les telecomunicacions, permetrà que pugui ser integrat en les infraestructures clàssiques de telecomunicació.

Fins al moment, molts dels avenços s’havien demostrat de manera individual: l’entrellaçament de memòries quàntiques, l’emmagatzematge de fotons durant un període llarg de temps i amb alta eficiència. No obstant, tot això no s’havia pogut consolidar en un únic sistema. Amb el treball d’aquests investigadors de l’ICFO, la manera en què estan entrellaçades les memòries és compatible amb la xarxa de telecomunicacions que hi ha ara mateix, acostant un pas més la física quàntica a la vida real.

Després d’aquest èxit, el següent desafiament és demostrar l’experiment fora de laboratori per provar distàncies més llargues.

Figura 1: Esquema de la instal·lació del repetidor quàntic. En ell es troben les dues memòries (de color taronja), vidres dopats amb Praseodimi, que són on s’emmagatzemen els fotons senyal (fletxa de color taronja) en ressonància amb un estat excitat de l’àtom (indicat a la dreta de l’esquema); les bombes generadores de parells de fotons correlacionats (senyal i missatger, de color blau); els filtres de cavitats, que només deixen passar el fotó missatger (de color rosa); el divisor de feix, que esborra la informació de la trajectòria que segueixen els fotons missatgers que han sortit de la bomba de fotons a través del filtre i permet generar l’entrellaçament quàntic; i el detector d’únic fotó, que llegirà la informació donada pel fotó missatger i permetrà estudiar, un cop destruït l’entrellaçament, en quin estat de superposició es trobava el fotó senyal.

Referències:

[1]: D. Lago-Rivera, S. Grandi, J. V. Rakonjac, A. Seri and H. de Riedmatten. Nature 594, 37-40 (2021)

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *