Encontrar una forma confiable de almacenar información cuántica es el núcleo de los esfuerzos para construir una Internet cuántica. A diferencia de los datos clásicos, la información cuántica no se puede copiar ni amplificar, y aunque la Internet clásica transmite datos a través de tecnologías maduras como enrutadores y conmutadores que conectan telarañas de alambres y cables, los componentes básicos de la Internet cuántica aún están en construcción. De manera similar, cada pieza de un sistema electrónico clásico tiene un búfer donde la información puede permanecer temporalmente antes de que se procese, pero encontrar una manera de "recordar" estados cuánticos frágiles es un desafío de larga data.
Investigadores de la Universidad de Basilea, Suiza, ahora han demostrado tal memoria cuántica. En su experimento, una bombilla de vidrio llena de gas rubidio (una celda de vapor) recibe fotones entrantes que transportan información cuántica, almacena esa información temporalmente y luego produce nuevos fotones para llevarse la información. Además, a diferencia de muchos sistemas cuánticos, la memoria cuántica de celda de vapor puede funcionar a temperatura ambiente o por encima de ella y es relativamente fácil de ensamblar, lo que la convierte en la candidata perfecta para su implementación en redes cuánticas.
Fotones en tránsito
La característica clave que hace que la comunicación cuántica sea tan desafiante también es una gran parte de su atractivo. Debido a que la información almacenada en los estados cuánticos de los fotones no se puede copiar (a diferencia de las señales electrónicas que pasan por un cable), un tercero malintencionado no puede interceptar datos cuánticos sin alertar al remitente o al receptor.
Sin embargo, dado que los datos cuánticos no se pueden copiar, tampoco se pueden amplificar fácilmente. Sin amplificación, la señal que viaja a lo largo de un cable de fibra óptica se debilita con la distancia. Esto limita la transmisión de datos a unos pocos cientos de kilómetros en el mejor de los casos.
Una forma de evitar este problema es introducir repetidores entre el emisor y el destinatario. Cualquiera de los dos repetidores puede intercambiar fotones para entrelazar sus respectivos recuerdos. El enredo compartido se puede usar para teletransportar información de un extremo a otro.
Almacenamiento y recuperación de fotones.
A medida que los enrutadores transmiten la información cuántica, necesitan una forma de almacenar la información temporalmente antes de pasarla de forma segura a la siguiente estación. Aquí es donde entran los recuerdos cuánticos.
Para el experimento en Basilea, los investigadores comenzaron inicializando los átomos de rubidio en su celda de vapor en un estado fundamental. Cuando los fotones entrantes de una fuente de un solo fotón interactúan con un átomo de rubidio en esta celda, el átomo entra en una superposición de estados cuánticos. Este proceso se puede invertir para hacer que la celda de vapor emita fotones que contengan la información que acaba de absorber.
Si bien las memorias cuánticas han sido un objeto de estudio popular, anteriormente no ha habido una forma de operarlas de manera confiable a temperatura ambiente o superior. De acuerdo a Gianni Buser, el autor principal de un artículo en PRX cuántico Sobre la investigación, los dispositivos basados en átomos fríos han demostrado una interfaz eficiente entre las fuentes de fotones y las memorias. Estos experimentos, sin embargo, son lentos y tienen poco ancho de banda. Además, es engorroso configurar memorias de átomos fríos fuera de un laboratorio. El uso de una celda de vapor garantiza que el dispositivo se pueda usar por encima de la temperatura ambiente en una amplia gama de casos de uso, algo que es importante cuando se "considera cuán ubicuamente se usa la memoria en las redes y comunicaciones clásicas", agrega Buser, señalando que tal bloque de construcción fundamental también tiene que ser muy robusto.
Otro desafío con las memorias basadas en celdas de vapor es la lectura de fotones después del almacenamiento. Una memoria solo tiene sentido si la información almacenada en ella se puede leer de manera confiable, pero en una celda de vapor, los átomos chocan entre sí y con las paredes de la celda, degradando la calidad de los fotones liberados. Mediante el desarrollo de técnicas para mitigar el ruido de lectura, Buser y su equipo lograron leer fotones almacenados durante varios cientos de nanosegundos, una duración mínima a escala humana, pero mucho tiempo para los pulsos de fotones utilizados en el experimento, que en sí mismos son solo un pocos nanosegundos de duración.
Los nuevos repetidores cuánticos podrían permitir una Internet cuántica escalable
Según Buser, existen formas sencillas de mejorar el resultado de su equipo. “El experimento publicado se basa en una celda de rubidio bastante común y comercialmente disponible. Una colaboración con los especialistas en celdas de vapor podría contribuir en gran medida a que el corazón del experimento se adapte mejor a su propósito”, dice. Recubrir la célula con sustancias como la parafina también mitiga la pérdida de información cuántica cuando los átomos chocan contra las paredes de la célula. De hecho, Buser se muestra optimista de que los tiempos de almacenamiento de la memoria podrían alcanzar valores del orden de un segundo, lo que señala que “es realmente una eternidad para un fotón”.
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- Fuente: https://physicsworld.com/a/rubidium-vapour-makes-a-good-quantum-memory/
