Redes cuánticas ‘híbridas’ demostradas por primera vez

Redes cuánticas 'híbridas' demostradas por primera vez

Por primera vez en el mundo, investigadores en Francia y Estados Unidos han realizado un experimento pionero que demuestra la creación de redes cuánticas “híbridas”. El enfoque, que une dos métodos distintos de codificar información en partículas de luz llamadas fotones, podría eventualmente permitir comunicaciones y computación más capaces y robustas.

De manera similar a cómo la electrónica clásica puede representar información como señales digitales o analógicas, los sistemas cuánticos pueden codificar información como variables discretas (DV) en partículas o variables continuas (CV) en ondas. Los investigadores han usado históricamente un enfoque u otro, pero no ambos, en cualquier sistema dado.

“La codificación DV y CV tiene ventajas e inconvenientes distintos”, dice Hugues de Riedmatten, del Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona, ​​que no formó parte de la investigación. Los sistemas CV codifican información en la intensidad variable, o fase, de las ondas de luz. Tienden a ser más eficientes que los enfoques DV, pero también son más delicados y exhiben una mayor sensibilidad a las pérdidas de señal. Los sistemas que utilizan DV, que transmiten información contando fotones, son más difíciles de emparejar con las tecnologías de información convencionales que las técnicas CV. Sin embargo, también son menos propensos a errores y más tolerantes a fallas. Combinar los dos, dice Riedmatten, podría ofrecer “lo mejor de ambos mundos”.

Sistemas espeluznantes

En redes cuánticas, la información se crea, almacena y transfiere según los principios de la mecánica cuántica. Hacerlo teóricamente permite niveles de seguridad y potencia computacional que superan todo lo posible con los sistemas clásicos.

Por ejemplo, los bits clásicos codifican información en valores de 0 o 1. Las redes cuánticas pueden usar bits cuánticos, o qubits, que explotan los efectos cuánticos para incorporar 0 y 1 al mismo tiempo. Para distribuir datos, tales redes a menudo también dependen de otro efecto llamado enredo cuántico. Albert Einstein, famoso por describirlo como “acción espeluznante a distancia”, genera enredos entre partículas, como los fotones, después de que interactúan estrechamente. Einstein y otros lo consideraron “espeluznante” porque, contra toda intuición, incluso después de haber sido separados en distancias arbitrariamente largas, las partículas enredadas continúan influyendo en el comportamiento del otro. Cualquier cambio en el estado de una de las partículas desencadena un cambio simultáneo en el estado de la otra. Hace mucho tiempo, los informáticos se dieron cuenta de que este efecto podría permitir las telecomunicaciones ultraseguras, en las cuales cualquier intento de espionaje interrumpiría el enredo, haciendo que la vigilancia sea obvia de manera transparente.

Los sistemas que aprovechan estos efectos cuánticos pueden tomar muchas formas, pero generalmente siguen una arquitectura DV o CV. Ahora los científicos del Laboratorio Kastler Brossel en París y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU. Han unido con éxito ambas técnicas al establecer y distribuir entrelazamientos entre estados de luz codificados por DV y CV dentro de una única red cuántica.

Utilizando un complicado ensamblaje de componentes ópticos, el equipo produjo con éxito fotones en dos estados altamente entrelazados. Uno de ellos surgió al dividir un solo fotón entre dos caminos diferentes. El otro, el llamado estado híbrido entrelazado, surgió de enredar un qubit óptico DV con un qubit CV, que se sostenía en una superposición de dos fases diferentes de luz. “Al utilizar un procedimiento especial llamado medición de estado de campana entre estos dos estados entrelazados por separado, el enredo se transfirió o‘teletransportado’A los dos sistemas, [which] nunca interactuaron entre ellos “, dice Julien Laurat, profesor de la Universidad de la Sorbona en París y autor principal de el estudio. Esta transferencia permitió la conversión de la información cuántica de los qubits de un método de codificación a otro, allanando el camino para incorporar enfoques DV y CV en una única red cuántica escalable.

De Workbench a Workhorse

Para Marco Bellini, del Instituto Nacional de Óptica en Italia, que no formó parte del estudio, lo que lo hace novedoso y significativo es que los investigadores intercambiaron con éxito el enredo entre dos haces de luz que transportan dos variedades distintas de información cuántica codificada. Vincular sistemas dispares juntos sigue siendo un gran desafío. Pero “este experimento ha demostrado lo que podría convertirse en un ingrediente importante de redes futuras lo suficientemente versátiles como para conectar memorias y procesadores basados ​​en diferentes plataformas cuánticas físicas, y llevar fielmente una amplia gama de estados cuánticos, incluidos los DV y CV”, dice.

Sin embargo, aún queda mucho trabajo por hacer antes de lograr una red cuántica híbrida práctica, agrega Bellini. El método experimental actual es extremadamente ineficiente: en promedio, genera enredos híbridos solo tres veces por minuto en una distancia entre un CV qubit y un DV. “Si bien esta tasa sigue siendo suficiente para acumular suficientes datos para una demostración de prueba de principio, es un orden de magnitud demasiado bajo para cualquier aplicación práctica”, concluye Bellini.

Otros avances pueden ser inminentes. En todo el mundo, otros grupos están compitiendo para desarrollar y demostrar nuevos protocolos adicionales de redes cuánticas, y para cerrar la brecha entre tales demostraciones preliminares de laboratorio y dispositivos prácticos del mundo real.

Uno de esos equipos, liderado por Bellini, también está trabajando en el uso de la técnica híbrida para manipular el enredo agregando y restando fotones individuales hacia y desde los campos de luz clásicos. Grupos en Japón, Rusia, Dinamarca y la República Checa también están investigando el enfoque híbrido óptico para la información cuántica. Tarde o temprano, tales experimentos de entrelazamiento híbrido deberían volverse más compactos y eficientes, liberarse del banco de trabajo para convertirse en caballos de batalla que sean compatibles con las redes de fibra óptica existentes en las telecomunicaciones.

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