Investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), en Barcelona, han logrado la primera demostración de un enlace elemental de una red de información cuántica híbrida.

Para lograrlo, los científicos han utilizado una nube atómica fría y un cristal dopado como nodos cuánticos y fotones individuales como portadores de información.

En su estudio, publicado en Nature, los investigadores del ICFO liderados Hugues de Riedmatten han demostrado por primera vez la comunicación cuántica fotónica entre dos nodos cuánticos muy distintos colocados en diferentes laboratorios, usando un solo fotón como portador de información.

Los elementos clave de una red de información cuántica son los nodos cuánticos, que almacenan y procesan la información, compuesta de sistemas de materia como gases atómicos fríos o sólidos dopados, entre otros, y partículas en comunicación, principalmente fotones. Si bien los fotones parecen ser portadores de información perfectos, aún existe incertidumbre sobre qué sistema de materia se podría usar como nodo de red, ya que cada sistema proporciona diferentes funcionalidades. Por lo tanto, se ha propuesto la implementación de una red híbrida, buscando combinar las mejores capacidades de diferentes sistemas de materiales.

Estudios anteriores han documentado transferencias confiables de información cuántica entre nodos idénticos, pero esta es la primera vez que esto se logra con una red de nodos «híbridos».

Los investigadores del ICFO han podido encontrar una solución para hacer funcionar una red cuántica híbrida y resolver el desafío de una transferencia confiable de estados cuánticos entre diferentes nodos cuánticos a través de fotones individuales. Un solo fotón necesita interactuar fuertemente y en un entorno libre de ruido con los nodos heterogéneos o sistemas de materia, que generalmente funcionan a diferentes longitudes de onda y anchos de banda.

Como dice el coautor del estudio Nicolas Maring, en un comunicado, «es como tener nodos hablando en dos idiomas diferentes. Para que se comuniquen, es necesario convertir las propiedades del fotón individual para que pueda transferir eficientemente toda la información entre estos diferentes nodos».

En su estudio, los investigadores del ICFO usaron dos nodos cuánticos muy distintos: el nodo emisor era una nube de átomos de Rubidio enfriada por láser y el nodo receptor un cristal dopado con iones de Praseodimio. A partir del gas frío, generaron un bit cuántico (qubit) codificado en un solo fotón con un ancho de banda muy estrecho y una longitud de onda de 780 nm.

Luego convirtieron el fotón a la longitud de onda de la telecomunicación de 1552 nm para demostrar que esta red podría ser completamente compatible con el rango actual de la banda C de telecomunicaciones. Posteriormente, lo enviaron a través de una fibra óptica de un laboratorio a otro. Una vez en el segundo laboratorio, la longitud de onda del fotón se convirtió a 606 nm para interactuar correctamente y transferir el estado cuántico al nodo cristal dopado receptor.

Tras la interacción con el cristal, el qubit fotónico se almacenó en el cristal durante aproximadamente 2,5 microsegundos y se recuperó con una fidelidad muy alta.

Los resultados del estudio han demostrado que dos sistemas cuánticos muy diferentes pueden conectarse y comunicarse por medio de un solo fotón.

Como comenta Hugues de Riedmatten, «poder conectar nodos cuánticos con funcionalidades y capacidades muy diferentes y transmitir bits cuánticos por medio de fotones individuales entre ellos representa un hito importante en el desarrollo de redes cuánticas híbridas». La capacidad de realizar la conversión de ida y vuelta de los qubits fotónicos en la longitud de onda de la banda C de telecomunicaciones muestra que estos sistemas serían completamente compatibles con las redes de telecomunicaciones actuales.

Fuente: Europa Press