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Ilustración de los fotones en estados cuánticos de muchas dimensiones, entrelazados en el espectro de colores, que son manipulados y transmitidos vía un sistema de telecomunicaciones. Crédit © Michael Kues.
Una nueva investigación ha constatado que los fotones representan un poderoso recurso cuántico cuando son generados en forma de quDits entrelazados en un espectro de colores. Lo han comprobado mediante dispositivos ópticos integrados y componentes comerciales de telecomunicaciones, según informa el INRS en un comunicado.
El equipo del profesor Roberto Morandotti ha desarrollado un chip fotónico compacto, barato de construir y similar a los usados en electrónica integrada, que es el que ha permitido generar los citados fotones.
A ese chip le han integrado un microresonador óptico y lo han excitado mediante un láser, consiguiendo de esta forma emitir pares de fotones que comparten un estado cuántico complejo.
Estos fotones se caracterizan por la superposición de numerosos componentes en diferentes frecuencias: tienen simultáneamente numerosos colores distintos, al mismo tiempo que los colores de un par de fotones están entrelazados, independientemente de la distancia que los separa, debido al conocido efecto del entrelazamiento cuántico.
Con cada frecuencia (o color) representando una dimensión, los fotones se generan a partir del chip bajo la forma de quDits, es decir, de estados cuánticos con muchas dimensiones. Hasta ahora, la ciencia de la información cuántica se concentra en la explotación de qubits, que son estados cuánticos capaces de superponer dos dimensiones. Por ejemplo, un qubit puede ser un 0 y un 1 a la vez, mientras que en informática clásica un bit es o bien un 0, o bien un 1.
Según explican los investigadores, la ventaja de trabajar en el dominio frecuencial permite superponer en un fotón más de dos dimensiones. Por ejemplo, los fotones pueden ser a la vez rojos, amarillos, verdes y azules, aunque las frecuencias utilizadas sean infrarrojas para permitir su compatibilidad de los sistemas de telecomunicaciones. Cada dimensión añadida duplica la cantidad de información transportada por un fotón.
Sólo el principio
Hasta el momento, estos investigadores han conseguido quDits de al menos cien dimensiones gracias a este sistema. Y es sólo el principio, ya que, según aseguran, la tecnología que han desarrollado puede desplegarse y crear sistemas de dos quDits, lo que representaría más de 9.000 dimensiones.
Este nivel de complejidad corresponde a doce quDits y más, una proeza comparable a la realizada por infraestructuras mucho más complejas y caras, según los investigadores.
Otra ventaja añadida es que la utilización de frecuencias, a título de característica matriz de los estados cuánticos, permite que los quDits puedan ser transmitidos fácilmente y manipulados por sistemas de fibra óptica.
Combinando los dominios de la óptica cuántica y el tratamiento de señal óptica ultrarrápida, los investigadores han demostrado que la manipulación de estos estados complejos es realmente posible con elementos comunes de las telecomunicaciones, tales como los moduladores y los filtros de frecuencia.
El equipo del profesor Roberto Morandotti ha desarrollado un chip fotónico compacto, barato de construir y similar a los usados en electrónica integrada, que es el que ha permitido generar los citados fotones.
A ese chip le han integrado un microresonador óptico y lo han excitado mediante un láser, consiguiendo de esta forma emitir pares de fotones que comparten un estado cuántico complejo.
Estos fotones se caracterizan por la superposición de numerosos componentes en diferentes frecuencias: tienen simultáneamente numerosos colores distintos, al mismo tiempo que los colores de un par de fotones están entrelazados, independientemente de la distancia que los separa, debido al conocido efecto del entrelazamiento cuántico.
Con cada frecuencia (o color) representando una dimensión, los fotones se generan a partir del chip bajo la forma de quDits, es decir, de estados cuánticos con muchas dimensiones. Hasta ahora, la ciencia de la información cuántica se concentra en la explotación de qubits, que son estados cuánticos capaces de superponer dos dimensiones. Por ejemplo, un qubit puede ser un 0 y un 1 a la vez, mientras que en informática clásica un bit es o bien un 0, o bien un 1.
Según explican los investigadores, la ventaja de trabajar en el dominio frecuencial permite superponer en un fotón más de dos dimensiones. Por ejemplo, los fotones pueden ser a la vez rojos, amarillos, verdes y azules, aunque las frecuencias utilizadas sean infrarrojas para permitir su compatibilidad de los sistemas de telecomunicaciones. Cada dimensión añadida duplica la cantidad de información transportada por un fotón.
Sólo el principio
Hasta el momento, estos investigadores han conseguido quDits de al menos cien dimensiones gracias a este sistema. Y es sólo el principio, ya que, según aseguran, la tecnología que han desarrollado puede desplegarse y crear sistemas de dos quDits, lo que representaría más de 9.000 dimensiones.
Este nivel de complejidad corresponde a doce quDits y más, una proeza comparable a la realizada por infraestructuras mucho más complejas y caras, según los investigadores.
Otra ventaja añadida es que la utilización de frecuencias, a título de característica matriz de los estados cuánticos, permite que los quDits puedan ser transmitidos fácilmente y manipulados por sistemas de fibra óptica.
Combinando los dominios de la óptica cuántica y el tratamiento de señal óptica ultrarrápida, los investigadores han demostrado que la manipulación de estos estados complejos es realmente posible con elementos comunes de las telecomunicaciones, tales como los moduladores y los filtros de frecuencia.
Tecnología disruptiva
Aunque los avances realizados por el sector de las telecomunicaciones persiguen únicamente la manipulación de señales clásicas, esta nueva investigación abre una dimensión inesperada al sector, así como a las ciencias cuánticas, según los investigadores.
El desarrollo de este equipo abre un nuevo campo a la investigación fundamental sobre las características de los estados cuánticos con muchas dimensiones, sobre las aplicaciones de las comunicaciones cuánticas basadas en fibra óptica y sobre el desarrollo de puertas lógicas cuánticas complejas. Una puerta cuántica o puerta lógica cuántica es un circuito cuántico básico que opera sobre un pequeño número de qubits.
Los investigadores destacan especialmente que lo más importante de su aportación es la accesibilidad de la plataforma desarrollada. Es fácil de ponerla en práctica y explota componentes estándares de los sistemas de telecomunicación disponibles en el mercado.
A corto plazo, significa que investigadores de todo el mundo están en condiciones de integrar y probar esta tecnología, lo que acelerará el desarrollo de aplicaciones cuánticas concretas, concluyen sus creadores.
Aunque los avances realizados por el sector de las telecomunicaciones persiguen únicamente la manipulación de señales clásicas, esta nueva investigación abre una dimensión inesperada al sector, así como a las ciencias cuánticas, según los investigadores.
El desarrollo de este equipo abre un nuevo campo a la investigación fundamental sobre las características de los estados cuánticos con muchas dimensiones, sobre las aplicaciones de las comunicaciones cuánticas basadas en fibra óptica y sobre el desarrollo de puertas lógicas cuánticas complejas. Una puerta cuántica o puerta lógica cuántica es un circuito cuántico básico que opera sobre un pequeño número de qubits.
Los investigadores destacan especialmente que lo más importante de su aportación es la accesibilidad de la plataforma desarrollada. Es fácil de ponerla en práctica y explota componentes estándares de los sistemas de telecomunicación disponibles en el mercado.
A corto plazo, significa que investigadores de todo el mundo están en condiciones de integrar y probar esta tecnología, lo que acelerará el desarrollo de aplicaciones cuánticas concretas, concluyen sus creadores.
Referencia
On-chip generation of high-dimensional entangled quantum states and their coherent control. Nature 546, 622–626 (29 June 2017) doi:10.1038/nature22986
On-chip generation of high-dimensional entangled quantum states and their coherent control. Nature 546, 622–626 (29 June 2017) doi:10.1038/nature22986
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