Investigadores del ICFO construyen una red de información cuántica híbrida

Investigadores del ICFO construyen una red de información cuántica híbrida

Ilustración esquemática de una red de información híbrida con dos nodos cuánticos compuestos por una nube fría de Rubidio (nube roja izquierda) y un cristal alterado con iones de Praseodimio (cubo blanco derecho). Créditos: ICFO / Scixel

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Investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) –instituto universitario de investigación adscrito a la UPC– han logrado la primera demostración de un enlace elemental en una red de información cuántica híbrida, utilizando una nube de átomos fríos y un cristal alterado como nodos cuánticos, así como fotones individuales como portadores de información. El estudio, publicado en 'Nature', demuestra la comunicación y transmisión de información cuántica entre dos tipos de nodos cuánticos completamente diferentes ubicados en diferentes laboratorios. El logro muestra que es posible construir una red híbrida cuántica con elementos heterogéneos, que es totalmente compatible con la infraestructura actual de telecomunicaciones de fibra óptica.

23/11/2017

En un estudio publicado recientemente en Nature, los científicos del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) –instituto universitario de investigación adscrito a la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)Nicolas Maring, Pau Farrera, Kutlu Kutluer, Margherita Mazzera y Georg Heinze, dirigidos por professor ICREA del ICFO Hugues de Riedmatten, han logrado conseguir un enlace elemental en una red cuántica "híbrida" y han demostrado por primera vez la comunicación cuántica fotónica entre dos nodos cuánticos de diferente naturaleza colocados en diferentes laboratorios, utilizando un solo fotón como portador de información.

Hoy en día, las redes de información cuántica están comenzando a materializarse, con la posibilidad de llegar a ser una tecnología disruptiva que proporcionará capacidades radicalmente nuevas para el procesamiento de la información y la comunicación. Las investigaciones más recientes en el campo señalan que esta revolución de las redes cuántica podría estar a la vuelta de la esquina.

Una red de información cuántica está formada tanto por nodos cuánticos, que almacenan y procesan información, constituidos por sistemas de materia como gases atómicos fríos o sólidos alterados, entre otros, así como por partículas encargadas de transferir la información, generalmente fotones. Si bien los fotones parecen ser portadores perfectos de información, aún existe cierta incertidumbre sobre qué sistema de materia se podría usar como nodo de red, ya que cada sistema proporciona diferentes funcionalidades. Por lo tanto, científicos del campo han considerado la posibilidad de implementar una red híbrida, buscando combinar las mejores capacidades de diferentes sistemas de materiales.

Estudios anteriores han logrado conseguir transferencias seguras 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 encontrado una solución para hacer funcionar una red cuántica híbrida y resolver el desafío de una transferencia segura y confiable de los estados cuánticos entre diferentes nodos cuánticos a través de fotones individuales. Además de hacerlo dentro un entorno libre de ruido, un fotón individual necesita interactuar fuertemente con los nodos heterogéneos o sistemas de materia, que generalmente funcionan a diferentes longitudes de onda y anchos de banda. Como comenta Nicolas Maring, "es como tener nodos hablando en dos idiomas diferentes. Para que se comuniquen correctamente, es necesario convertir las propiedades del fotón individual para que pueda transferir eficientemente toda la información de un nodo al otro".

Como resolvieron el problema
En su estudio, los investigadores utilizaron dos nodos cuánticos muy diferentes en naturaleza: por un lado, el nodo emisor está constituido por una nube de átomos de Rubidio enfriada por láser y, por otro lado, el nodo receptor era un cristal alterado con iones de Praseodimio. Del gas frío, generaron un solo fotón con un ancho de banda específico muy estrecho y una longitud de onda de 780 nm. Luego convirtieron el fotón a la longitud de onda de la telecomunicación de 1552nm 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 la fibra óptica en forma de un “time-bin” qubit fotónico de un laboratorio a otro. Una vez en el segundo laboratorio, la longitud de onda del fotón se convirtió a 606nm para interactuar correctamente y transferir el estado cuántico al nodo de cristal alterado receptor. Tras la interacción con el cristal, el estado cuántico del fotón se almacenó en el cristal durante aproximadamente 2,5 microsegundos y luego se recuperó con una fidelidad muy alta.

Los resultados del estudio han demostrado que dos sistemas cuánticos muy diferentes pueden estar conectados y comunicarse entre sí por medio de un solo fotón. Como comenta el profesor ICREA en el ICFO Hugues de Riedmatten, "poder conectar nodos cuánticos con funcionalidades y capacidades muy diferentes y transmitir bits cuánticos entre ellos por medio de fotones individuales representa un hito importante en el desarrollo de redes cuánticas híbridas". Ser capaces de realizar la conversión de los qubits fotónicos a la longitud de onda de la banda C de telecomunicaciones muestra que estos sistemas serían completamente compatibles con las redes de telecomunicaciones actuales.

Redes de información cuánticas vs. clásicas
La red de información clásica, más bien conocida como "world wide web", fue desarrollada en los años 80. La información que fluye a través de la red se realiza mediante "bits", se procesa y modula por medio de circuitos y chips electrónicos y se transmite a través de la red por medio de pulsos de luz dentro de fibras ópticas, donde hay una mínima pérdida de señal.

En lugar de utilizar los bits clásicos, las redes de información cuántica procesan y almacenan información cuántica a través de bits cuánticos o "qubits". Mientras que los bits pueden ser 0s o 1s, los qubits pueden tomar tanto estos dos valores como también estar en cualquier superposición entre estos dos estados. En una red cuántica, los qubits son generados y procesados por sistemas de materia cuántica, p. gases atómicos fríos, sólidos alterados u otros sistemas. A diferencia de las redes clásicas, la información cuántica se transfiere entre los nodos utilizando fotones individuales en lugar de pulsos de luz fuertes.

Las redes de información cuántica (constituidas por nodos cuánticos de materia y canales de comunicación cuántica) abrirán una nueva vía de tecnologías disruptivas, permitiendo así aplicaciones como la transmisión de datos perfectamente segura, el procesamiento mejorado de datos a través de computación cuántica distribuida o aplicaciones avanzadas de sincronización de relojes, entre otros.

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Sobre el ICFO

El Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), miembro del Barcelona Institute of Science and Technology, es un centro de investigación alojado en un edificio de 14.000 m2, diseñados específicamente para su labor, situado dentro del Parque Mediterráneo de la Tecnología en el área metropolitana de Barcelona. Actualmente alberga 400 personas, organizados en 27 grupos de investigación y 60 laboratorios de última generación con los más novedosos avances experimentales, apoyados por instalaciones de primer nivel en nanofabricación, caracterización, imagen e ingeniería.

La distinción Severo Ochoa, otorgada por el Ministerio de Ciencia e Innovación; 14 cátedras de profesor de ICREA, 25 becas del European Research Council, 6 Nest Fellowships de la Fundació Cellex Barcelona y la presencia de forma constante en las primeras posiciones en rankings mudiales que miden la excelencia de investigación, demuestran la dedicación del centro a la investigación más exigente. Desde el punto de vista industrial, ICFO participa activamente en la plataforma tecnológica europea Photonics21 y es también proactivo en fomentar la actividad emprendedora así como la creación de spin-offs.  El centro participa en actividades de incubación y busca atraer inversión de capital de riesgo. ICFO acoge el Corporate Liaison Program, que aspira a crear colaboraciones y contactos entre la industria y los investigadores de ICFO. Hasta la fecha, ICFO ha ayudado a crear seis start-ups exitosas.

Investigadores del ICFO construyen una red de información cuántica híbrida

De derecha a izquierda: Margherita Mazzera, Georg Heinze, Nicolas Maring, Hugues de Riedmatten, Kutlu Kutluer, y Pau Farrera. Créditos: ICFO

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Nicolas Maring, Pau Farrera, y Georg Heinze manipulando el set-up experimental. Créditos: ICFO

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