Mediante tres fotones y dos estaciones separadas por un kilómetro, investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas han logrado transferir información entre dos de ellos, que nunca antes estuvieron en contacto, aunque sí conectados a través de un tercer fotón que estaba entrelazado con el primero. Técnicamente, es lo que se llama la teleportación cuántica multiplexada de un fotón a un cúbit de estado sólido.
La teleportación cuántica es una técnica que permite enviar información cuántica entre dos objetos cuánticos distantes, un emisor y un receptor, utilizando un fenómeno llamado entrelazamiento cuántico como recurso.
La característica única de este proceso es que la información no se transmite mandando bits cuánticos (cúbits) a través de un canal de comunicación que conecte a las dos partes, sino que la información se destruye en un lugar y aparece en el otro sin viajar físicamente entre los dos. Este sorprendente fenómeno solo ocurre gracias al entrelazamiento cuántico y junto con la transmisión de lo que hoy en día conocemos como bits clásicos.
Actualmente existe gran interés en la teleportación cuántica en el campo de las comunicaciones y las redes cuánticas porque permitiría la transferencia de bits cuánticos entre nodos de la red a través de distancias muy largas, utilizando el entrelazamiento previamente distribuido. Tal técnica facilitaría la integración de estas tecnologías cuánticas en redes de telecomunicaciones actuales y permitiría extender las comunicaciones ultraseguras a distancias muy largas.
La teleportación cuántica fue propuesta teóricamente a principios de los años 90 y varios grupos de todo el mundo llevaron a cabo demostraciones experimentales. Si bien la comunidad científica ha adquirido una amplia experiencia sobre cómo realizar estos experimentos durante estos años, todavía hay una pregunta abierta sobre cómo teleportar información de manera práctica, permitiendo una comunicación cuántica confiable y rápida a través de una red extensa.
Dicha infraestructura debería ser compatible con la red de telecomunicaciones actual. Además, para el protocolo de teleportación cuántica se necesita que se aplique una operación final sobre el cúbit con la información teleportada, una característica que se denomina “feed-forward activo”, para permitir que la transmisión de la información se pueda hacer fielmente y a mayor velocidad.
Para esto, el receptor debe poseer un dispositivo conocido como memoria cuántica que pueda almacenar el cúbit sin degradarlo hasta que se pueda implementar la operación final. Finalmente, esta memoria cuántica debería poder operar de manera “multiplexada o multimodal” para maximizar la velocidad de teleportación de información cuando el remitente y el receptor están lejos. Hasta la fecha, ninguna implementación había incorporado estos mencionados requisitos en la misma demostración.
En este contexto, los investigadores del ICFO Dario Lago-Rivera, Jelena V. Rakonjac y Samuele Grandi, dirigidos por el profesor ICREA del ICFO Hugues de Riedmatten, han logrado la teleportación a larga distancia de información cuántica de un fotón a un cúbit de estado sólido, es decir, un fotón almacenado en una memoria cuántica multiplexada. Los resultados los publican en Nature Communications.
La técnica involucró el uso del feed-forward activo (esquema de prealimentación activa), que, junto con la multimodalidad de la memoria, ha permitido maximizar la tasa de teleportación. La arquitectura del experimento propuesta ha demostrado ser compatible con los canales de telecomunicaciones y, por lo tanto, permitiría la futura integración y escalabilidad para la comunicación cuántica de larga distancia.
El equipo construyó dos estaciones experimentales, que en la jerga de la comunidad suelen llamarse Alice y Bob. Ambas estaban conectadas por una fibra óptica de 1 km enrollada en un carrete, para emular una distancia física entre las partes.
Tres fotones estuvieron involucrados en el experimento. En la primera configuración, Alice, el equipo usó un cristal especial para crear dos fotones entrelazados: el primer fotón a 606 nm, llamado fotón señal (fotón 1), y el segundo fotón de 1436nm llamado fotón inactivo (fotón 2), compatible con la infraestructura de telecomunicaciones.
Esquema de la configuración experimental de la plataforma de teleportación cuántica. / ICFO
Una vez creado, “guardamos el primer fotón de 606 nm en Alice y lo almacenamos en una memoria cuántica de estado sólido multiplexada, manteniéndolo en la memoria para su procesamiento futuro. Al mismo tiempo, tomamos el fotón de telecomunicaciones creado en Alice y lo enviamos a través del kilómetro de fibra óptica para llegar a la segunda estación experimental, llamada Bob”, recuerda Dario Lago.
En esta segunda configuración, Bob, los científicos tenían otro cristal donde crearon un tercer fotón (fotón 3), donde habían codificado el bit cuántico que querían teleportar. Una vez que se creó el tercer fotón, el segundo fotón de 1436 nm llegó a Bob desde Alice, y aquí es donde tiene lugar el peso del experimento de teleportación.
Los fotones 2 y 3 interfirieron entre sí a través de lo que se conoce como medición de estado de Bell (BSM o Bell State Measurement en inglés). El efecto de esta medición fue mezclar el estado de los fotones 2 y 3.
Gracias a que el fotón 1 y el fotón 2 estaban entrelazados desde un principio; es decir, sus propiedades estaban correlacionadas, el resultado del BSM fue el de transferir la información codificada en el fotón 3 al fotón 1, almacenado por Alice en la memoria cuántica, a 1 km de distancia.
Como mencionan Dario Lago y Jelena Rakonjac, “somos capaces de transferir información entre dos fotones que nunca antes estuvieron en contacto, pero conectados a través de un tercer fotón que sí estaba entrelazado con el primero”.
Además, añaden: “La singularidad de este experimento radica en el hecho de que empleamos una memoria cuántica multiplexada capaz de almacenar el primer fotón durante el tiempo suficiente para que, cuando el primer dispositivo, Alice, supiera que la interacción había ocurrido, todavía pudiéramos procesar la información teleportada tal y como lo describe el protocolo”.
Somos capaces de transferir información entre dos fotones que nunca antes estuvieron en contacto, pero conectados a través de un tercer fotón que sí estaba entrelazado con el primero
Este “procesamiento” mencionado por Dario y Jelena fue la técnica de feed-forward activo. Dependiendo del resultado del BSM entre los fotones 2 y 3, se aplicó un cambio de fase al fotón 1 después del almacenamiento en la memoria. De esta forma, siempre se codificaría el mismo estado en el primer fotón ya que, sin esto, la mitad de los eventos de teleportación tendrían que descartarse.
Por otro lado, la multimodalidad/multiplexación de la memoria cuántica les permitió aumentar la tasa de teleportación más allá de los límites impuestos por la separación de 1 km entre ellos, sin degradar la calidad del cúbit teleportado. Esto dio, como resultado, una tasa de teleportación tres veces mayor que la de una memoria cuántica monomodal, limitada principalmente por la velocidad del hardware.
El experimento que realizó este mismo grupo en el año 2021, donde lograron por primera vez entrelazar dos memorias cuánticas multimodales separadas por 10 metros y anunciadas por un fotón en la longitud de onda de las telecomunicaciones, ha sido el precursor de este experimento.
Como enfatiza Hugues de Riedmatten, “la teleportación cuántica será crucial para permitir la comunicación a larga distancia de alta calidad para el Internet cuántico del futuro. Nuestro objetivo es implementar la teleportación cuántica en redes cada vez más complejas, con entrelazamiento previamente distribuido. La naturaleza de nuestros nodos cuánticos (multiplexada y de estado sólido), así como su compatibilidad con la red de telecomunicaciones, los convierte en un candidato prometedor para su implementación a larga distancia en la red de fibra instalada”.
A pesar de tener estos resultados importantes, ya están en marcha mejoras al experimento. Por un lado, el equipo se está centrando en desarrollar y mejorar la tecnología para extender esta configuración a distancias mucho más largas manteniendo la eficiencia y las tasas de teleportación mencionadas.
Por otro lado, también apuntan a estudiar y utilizar esta técnica para la transferencia de información entre diferentes tipos de nodos cuánticos, con el fin de poder establecer un futuro internet cuántico que podrá distribuir y procesar información cuántica entre partes remotas.
Referencia:
Dario Lago-Rivera, et al. "Long distance multiplexed quantum teleportation from a telecom photon to a solid-state qubit". Nature Communications 2023
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