¿Cuál es el objetivo principal de Hy-Q?

Como parte del Instituto Niels Bohr, Hy Q comprende un talentoso y multidisciplinario equipo de 50 investigadores, trabajando para ofrecer valor e impacto duraderos en la ciencia cuántica. Nuestro objetivo es crear las tecnologías fundamentales de hardware y plataforma para la Internet cuántica, explotando la interacción entre la comprensión teórica, los sistemas experimentales, el diseño y la fabricación de dispositivos, e impulsando todas estas vías de investigación simultáneamente. Operacionalmente, Hy-Q prioriza tres plataformas cuánticas discretas – fotones, emisores de estado sólido y fonones – para permitir la conexión remota, la manipulación y el almacenamiento de información cuántica. Piense en redes cuánticas híbridas y en un enfoque de "lo mejor de todos los mundos" que fusiona diferentes sistemas cuánticos, cada uno con sus propias ventajas y desventajas.

¿Qué es posible a medida que los sistemas cuánticos de pequeña escala evolucionan hacia arquitecturas de redes cuánticas grandes y complejas?

Internet hoy distribuye información clásica en escalas de longitud globales. La Internet cuántica del futuro transmitirá información cuántica (qubits de un solo fotón, por ejemplo, o entrelazamiento cuántico) a la misma escala global. Esta capacidad, a su vez, permitirá todo tipo de aplicaciones únicas, incluidas las comunicaciones cifradas cuánticamente para todo, desde gobiernos y bancos hasta proveedores de atención médica y militares. En última instancia, veremos la implementación de recursos informáticos cuánticos paralelos a escala, con nodos informáticos remotos vinculados mecánicamente cuánticamente a través de la red.

La transición de laboratorio a tecnologías cuánticas implementables en campo ya está comenzando

Peter Lodahl, jefe de Hy-Q

Presumiblemente, ¿todavía es pronto para tales aplicaciones a nivel de red?

Correcto, aunque vale la pena señalar que la transición de laboratorio a tecnologías cuánticas implementables en campo ya está comenzando. A fines del año pasado, por ejemplo, la tecnología de fuente de fotón único de Hy-Q fue implementado como parte de una prueba de campo exitosa para demostrar la distribución segura de claves cuánticas (QKD) a través de un enlace de fibra óptica de 18 km en la red de telecomunicaciones existente a nuestros socios de investigación en la Universidad Técnica de Dinamarca en Lyngby. Esta es la primera vez que se aplican fuentes de fotones individuales bajo demanda en un enlace de comunicación cuántica del mundo real. Como tal, es un primer paso importante para extender la tecnología al máximo nivel de seguridad conocido como "independencia del dispositivo", donde el sistema cuántico es seguro frente a cualquier intento de piratería, incluso en el aparato utilizado para codificar y decodificar.

¿Qué desafíos técnicos entran en juego al escalar de sistemas cuánticos basados ​​en laboratorio a redes cuánticas?

Uno de los mayores obstáculos es la atenuación óptica en la red de fibra instalada. Para empezar, necesitaremos repetidores cuánticos robustos y memorias cuánticas para enviar qubits de un solo fotón más allá de varios cientos de kilómetros sin perderlos. Los repetidores cuánticos son el equivalente de los amplificadores de fibra óptica en las redes de fibra óptica de larga distancia de hoy en día: esencialmente dividen el enlace de transmisión en segmentos discretos donde las pérdidas ópticas son manejables y recuperables. El principio operativo, sin embargo, es fundamentalmente diferente ya que la amplificación de los estados cuánticos está prohibida por el llamado "No hay teorema de clonación". Pero queda un largo camino por recorrer y los desafíos de ingeniería de estos sistemas de próxima generación siguen siendo abrumadores.

¿Cómo aborda Hy-Q esos problemas?

Nuestros científicos están explorando varias formas de abordar el problema de la atenuación óptica. Una línea de investigación prometedora es lo que se llama el repetidor cuántico unidireccional. En lugar de enviar un solo fotón a toda la distancia, se envía un estado de grupo que consta de múltiples fotones entrelazados, el grupo codificado con un solo qubit de información cuántica, a través de una cadena de estaciones repetidoras. En cada repetidor, la información cuántica se somete a corrección de errores y se transfiere a un estado de grupo "nuevo" para contrarrestar la pérdida gradual de fotones en función de la distancia. Somos muy buenos produciendo fotones entrelazados bajo demanda para evaluar tales oportunidades.

¿Qué pasa con el progreso de las memorias cuánticas para almacenar y convertir información cuántica a través de la red?

El grupo de optomecánica Hy-Q, dirigido por Alberto Schliesser, está llevando a cabo una etapa inicial de I+D sobre memorias cuánticas, una tecnología imprescindible para cualquier comunicación cuántica o esquema de computación cuántica distribuida. Específicamente, el enfoque del equipo está en dispositivos mecánicos ultracoherentes, los llamados resonadores de membrana fónica, que brindan tiempos de coherencia prolongados (alrededor de 100 ms) mientras se acoplan de manera eficiente a campos electromagnéticos (desde la radiofrecuencia hasta el dominio óptico, así como electrones y espines nucleares).

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Estos resonadores tienen una propiedad única: una banda prohibida que impide la propagación del movimiento a ciertas frecuencias. Por lo tanto, podemos "atrapar" una resonancia mecánica en el cristal fonónico, creando un sistema cuántico bien aislado para almacenar qubits de un solo fotón tras la excitación óptica. La oportunidad es convincente: si podemos almacenar de manera confiable los fotones generados con fuentes de fotones Hy-Q en las oscilaciones mecánicas de larga duración, tendríamos una memoria cuántica que podría almacenar información cuántica en escalas de tiempo relevantes para aplicaciones de redes cuánticas de largo alcance.

Hy-Q reúne una amplia gama de experiencia con énfasis en la apertura y la colaboración en lugar de la competencia.

Peter Lodahl, jefe de Hy-Q

¿Cómo presentaría Hy-Q a un graduado en física talentoso que esté considerando opciones para un estudio de doctorado?

Estoy orgulloso de la cultura de investigación en Hy-Q. Este es un equipo diverso, que reúne una amplia gama de conocimientos para lograr el éxito, además hay un énfasis en la apertura y la colaboración en lugar de la competencia. Esa es la magia: no se trata de quién tiene el mejor currículum o la lista de publicaciones más larga. Externamente, tenemos colaboraciones de larga data con grupos de ideas afines. Por ejemplo, El equipo de Arne Ludwig en la Universidad de Bochum, Alemania, cultiva materiales de puntos cuánticos de arseniuro de galio de la más alta calidad: el punto de partida para todas nuestras fuentes de fotones individuales e interfaces de emisores de fotones en Hy-Q. También trabajamos en estrecha colaboración con Richard Warburton y colegas en la Universidad de Basilea, Suiza, compartiendo ideas en nanofotónica y física de semiconductores y con intercambio regular de estudiantes entre nuestros respectivos laboratorios.

¿Entonces el futuro es brillante para Hy-Q?

Absolutamente. Nuestro enfoque en la ciencia fundamental de las redes cuánticas está respaldado por la Fundación Nacional de Investigación de Dinamarca – estamos a la mitad de un ciclo de financiación de 10 años – y ese apoyo a largo plazo nos ha permitido reunir experiencia líder mundial bajo un mismo techo aquí en Copenhague. Hy-Q tiene que ver con el juego largo: se necesitará paciencia, colaboración interdisciplinaria y un enfoque incesante en la mejora continua para mezclar y combinar las tecnologías de plataforma habilitadoras para Internet cuántica.

Traducir la ciencia cuántica en tecnologías listas para la red

Si bien los esfuerzos de Hy-Q están sesgados hacia los avances en la ciencia cuántica fundamental, Peter Lodahl y sus colegas también están observando el mercado emergente de tecnologías y dispositivos fotónicos cuánticos. El frente y el centro es Hy-Q spin-out Gorrión cuántico, que diseña, desarrolla y fabrica fuentes de fotones individuales para computación cuántica, metrología cuántica y redes cuánticas distribuidas.

Sparrow se enfoca en lo que, espera, será un bloque de construcción en la cadena de suministro de tecnología cuántica, a saber, un chip que puede generar flujos de fotones únicos bajo demanda (deterministas) y altamente coherentes (indistinguibles). La empresa ha superado los procesos inherentes de ruido y decoherencia de su plataforma en chip para que superen los puntos de referencia en eficiencia de generación e indistinguibilidad de fotones necesarios para escalar hasta la implementación en el mundo real.

El chip de 3 x 3 mm, que tiene estructuras de puntos cuánticos de InAs/GaAs ultraprecisas integradas en guías de ondas de cristal fotónico, emite fotones individuales a longitudes de onda específicas entre 920 y 980 nm. Proporciona cadenas largas de más de 100 fotones individuales sin ninguna disminución observable en la indistinguibilidad mutua entre fotones (>96 %). La eficiencia en el chip es superior al 90 %, lo que produce más de 20 millones de fotones individuales por segundo que se pueden implementar directamente en una fibra óptica.

Sparrow se dirige a los clientes de I+D y “pone un producto en el mercado que simplemente no existía antes”, según Lodahl, quien también es el fundador y director científico de la empresa. “Somos pioneros, evangelizando una nueva tecnología de plataforma para que pueda madurar en un entorno comercial”, dice. “Si bien la innovación a nivel de dispositivo es obligatoria, el mandato de Sparrow ahora debe cambiar para abordar métricas más aplicadas como escalabilidad, capacidad de fabricación, precio y rendimiento”.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/peter-lodahl-the-danish-physicist-whose-hy-q-team-takes-a-best-of-all-worlds-approach-to-quantum-networks/