Investigadores de la Universidad de Múnich y de la Universidad del Sarre, ambas en Alemania, han transportado con éxito un átomo y un fotón en estado de entrelazamiento cuántico a través de una fibra óptica a una distancia de 20 kilómetros, anotando así un nuevo récord en el camino a las redes cuánticas.
Las redes cuánticas de telecomunicación permiten la transmisión de información siguiendo los principios de la mecánica cuántica, especialmente el entrelazamiento cuántico y la teleportación cuántica.
El entrelazamiento cuántico es una propiedad de las partículas elementales que comparten un mismo destino una vez que han estado entrelazadas, aunque después de separarse exista entre ellas una distancia de miles de kilómetros: cualquier modificación que sufra una partícula (por ejemplo al introducirle un dato), se refleja instantáneamente en la otra.
El entrelazamiento cuántico se ha convertido en la piedra angular de la telecomunicación cuántica, ya que permite el envío de información instantánea de un extremo a otro del planeta sin que haya una red física que traslade la información.
Esta forma de comunicación es asimismo completamente segura, ya que no puede ser interceptada porque en realidad no recorre ningún trayecto.
Nuevo récord
Los investigadores alemanes han conseguido que dos partículas elementales recorran hasta 20 kilómetros dentro de una fibra óptica en estado de entrelazamiento cuántico, superando así el récord anterior, que estaba en 700 metros.
Según los investigadores, este resultado confirma que la información cuántica se puede distribuir a gran escala con apenas pérdida, por lo que constituye un paso crucial para las redes cuánticas del futuro.
Las redes cuánticas consisten esencialmente en memorias cuánticas (compuestas por uno o más átomos, por ejemplo) que actúan como nodos, y canales de comunicación en los que los fotones (cuantos de luz) pueden propagarse para unir los nodos.
En su experimento, los investigadores alemanes entrelazaron un átomo de rubidio con un fotón y observaron no solo que entraban en estado de entrelazamiento cuántico, sino tam bién que ambas partículas compartían sus propiedades entre ellas, después de atravesar una bobina de fibra óptica de 20 kilómetros de longitud.
Proeza tecnológica
Obtener este resultado no resultó fácil, ya que los átomos de rubidio empleados en este experimento emiten fotones con una longitud de onda de 780 nanómetros, en la región infrarroja cercana del espectro.
Esta longitud de onda no es válida para las telecomunicaciones cuánticas porque en una fibra óptica de vidrio, la luz a esta longitud de onda se absorbe rápidamente y no puede cumplir el objetivo pretendido: unir los nodos de la red cuántica.
Por este motivo, las redes de telecomunicaciones convencionales, que también utilizan fibra óptica de vidrio, utilizan longitudes de onda de alrededor de 1.550 nanómetros, lo que reduce notablemente las pérdidas que ocurren durante las trayectorias de los fotones.
Los investigadores alemanes resolvieron esta limitación de los átomos de rubidio a través de un convertidor de frecuencia cuántica, especialmente diseñado para la ocasión, que aumentó la longitud de onda de los fotones emitidos de 780 a 1.520 nanómetros, un estándar válido para las telecomunicaciones cuánticas.
Además, los investigadores tuvieron que asegurar que la conversión de frecuencia pretendida ocurriera únicamente entre dos fotones, así como que el proceso de conversión no alterara el entrelazamiento cuántico, porque entonces las propiedades de telecomunicación entre partículas se perderían.
Las redes cuánticas de telecomunicación permiten la transmisión de información siguiendo los principios de la mecánica cuántica, especialmente el entrelazamiento cuántico y la teleportación cuántica.
El entrelazamiento cuántico es una propiedad de las partículas elementales que comparten un mismo destino una vez que han estado entrelazadas, aunque después de separarse exista entre ellas una distancia de miles de kilómetros: cualquier modificación que sufra una partícula (por ejemplo al introducirle un dato), se refleja instantáneamente en la otra.
El entrelazamiento cuántico se ha convertido en la piedra angular de la telecomunicación cuántica, ya que permite el envío de información instantánea de un extremo a otro del planeta sin que haya una red física que traslade la información.
Esta forma de comunicación es asimismo completamente segura, ya que no puede ser interceptada porque en realidad no recorre ningún trayecto.
Nuevo récord
Los investigadores alemanes han conseguido que dos partículas elementales recorran hasta 20 kilómetros dentro de una fibra óptica en estado de entrelazamiento cuántico, superando así el récord anterior, que estaba en 700 metros.
Según los investigadores, este resultado confirma que la información cuántica se puede distribuir a gran escala con apenas pérdida, por lo que constituye un paso crucial para las redes cuánticas del futuro.
Las redes cuánticas consisten esencialmente en memorias cuánticas (compuestas por uno o más átomos, por ejemplo) que actúan como nodos, y canales de comunicación en los que los fotones (cuantos de luz) pueden propagarse para unir los nodos.
En su experimento, los investigadores alemanes entrelazaron un átomo de rubidio con un fotón y observaron no solo que entraban en estado de entrelazamiento cuántico, sino tam bién que ambas partículas compartían sus propiedades entre ellas, después de atravesar una bobina de fibra óptica de 20 kilómetros de longitud.
Proeza tecnológica
Obtener este resultado no resultó fácil, ya que los átomos de rubidio empleados en este experimento emiten fotones con una longitud de onda de 780 nanómetros, en la región infrarroja cercana del espectro.
Esta longitud de onda no es válida para las telecomunicaciones cuánticas porque en una fibra óptica de vidrio, la luz a esta longitud de onda se absorbe rápidamente y no puede cumplir el objetivo pretendido: unir los nodos de la red cuántica.
Por este motivo, las redes de telecomunicaciones convencionales, que también utilizan fibra óptica de vidrio, utilizan longitudes de onda de alrededor de 1.550 nanómetros, lo que reduce notablemente las pérdidas que ocurren durante las trayectorias de los fotones.
Los investigadores alemanes resolvieron esta limitación de los átomos de rubidio a través de un convertidor de frecuencia cuántica, especialmente diseñado para la ocasión, que aumentó la longitud de onda de los fotones emitidos de 780 a 1.520 nanómetros, un estándar válido para las telecomunicaciones cuánticas.
Además, los investigadores tuvieron que asegurar que la conversión de frecuencia pretendida ocurriera únicamente entre dos fotones, así como que el proceso de conversión no alterara el entrelazamiento cuántico, porque entonces las propiedades de telecomunicación entre partículas se perderían.
Red cuántica escalable
La eficiencia del convertidor diseñado fue lo que permitió en consecuencia mantener el entrelazamiento cuántico en un rango idóneo para las longitudes de onda de las telecomunicaciones, permitiendo así transportar información cuántica a grandes distancias.
Como quiera que las propiedades de los cables de fibra óptica de vidrio varían según factores como la temperatura y la tensión a la que están expuestos, el equipo tiene la intención de llevar a cabo este experimento en condiciones controladas en laboratorio.
Si todo sale como esperan, podrán añadirse nuevos nodos a la red cuántica y aumentar la distancia a la que el entrelazamiento cuántico de los fotones permite unir los diferentes nodos.
El entrelazamiento cuántico ya se ha comprobado que funciona a distancias mayores que los 20 kilómetros conseguidos en este experimento, pero no dentro de un cable de fibra óptica.
En 2017, científicos chinos consiguieron transmitir pares de fotones entrelazados desde el espacio hasta dos estaciones terrestres y que los fotones mantuvieran el entrelazamiento a pesar de estar separados entre sí por 1.200 kilómetros.
La eficiencia del convertidor diseñado fue lo que permitió en consecuencia mantener el entrelazamiento cuántico en un rango idóneo para las longitudes de onda de las telecomunicaciones, permitiendo así transportar información cuántica a grandes distancias.
Como quiera que las propiedades de los cables de fibra óptica de vidrio varían según factores como la temperatura y la tensión a la que están expuestos, el equipo tiene la intención de llevar a cabo este experimento en condiciones controladas en laboratorio.
Si todo sale como esperan, podrán añadirse nuevos nodos a la red cuántica y aumentar la distancia a la que el entrelazamiento cuántico de los fotones permite unir los diferentes nodos.
El entrelazamiento cuántico ya se ha comprobado que funciona a distancias mayores que los 20 kilómetros conseguidos en este experimento, pero no dentro de un cable de fibra óptica.
En 2017, científicos chinos consiguieron transmitir pares de fotones entrelazados desde el espacio hasta dos estaciones terrestres y que los fotones mantuvieran el entrelazamiento a pesar de estar separados entre sí por 1.200 kilómetros.
Referencia
Long-Distance Distribution of Atom-Photon Entanglement at Telecom Wavelength. Tim van Leent et al. Phys. Rev. Lett. 124, 010510, 10 January 2020. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.010510
Long-Distance Distribution of Atom-Photon Entanglement at Telecom Wavelength. Tim van Leent et al. Phys. Rev. Lett. 124, 010510, 10 January 2020. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.010510