Investigadors de l’ICFO construeixen una xarxa d’informació quàntica híbrida

Investigadors de l’ICFO construeixen una xarxa d’informació quàntica híbrida

Il·lustració esquemàtica d'una xarxa d'informació híbrida amb dos nodes quàntics compostos per un núvol fred de Rubidi (núvol vermell esquerra) i un cristall alterat amb ions de Praseodimi (cub blanc dret). Credit: ICFO /Scixel

Descarregar

Investigadors de l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) –institut universitari de recerca adscrit a la UPC– han aconseguit la primera demostració d'un enllaç simple en una xarxa d'informació quàntica híbrida utilitzant com a nodes quàntics un núvol fred d'àtoms i un cristall alterat, i fotons individuals com a portadors d'informació. L'estudi, publicat a la revista Nature, demostra la comunicació i transmissió d'informació quàntica entre dos tipus de nodes quàntics completament diferents, ubicats en diferents laboratoris. L'assoliment mostra que és possible construir una xarxa híbrida quàntica amb elements heterogenis, que és totalment compatible amb la infraestructura actual de telecomunicacions de fibra òptica.

23/11/2017

En un estudi publicat recentment a Nature, els científics de l'Institut de Ciències Fotòniques (ICFO)  –institut universitari de recerca adscrit a la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)– Nicolas Maring, Pau Farrera, Kutlu Kutluer, Margherita Mazzera i Georg Heinze, dirigits pel professor ICREA Hugues de Riedmatten, han aconseguit un enllaç elemental en una xarxa quàntica "híbrida" i han demostrat, per primera vegada, la comunicació quàntica fotònica entre dos nodes quàntics de diferent naturalesa, col·locats en diferents laboratoris, utilitzant un sol fotó com a portador d'informació.

Avui dia, les xarxes d'informació quàntica estan començant a materialitzar-se, amb la possibilitat d'arribar a ser una tecnologia disruptiva que proporcionarà capacitats radicalment noves per al processament de la informació i la comunicació. Les investigacions més recents en el camp assenyalen que aquesta revolució de les xarxes quàntiques podria estar a prop.

Una xarxa d'informació quàntica està formada tant per nodes quàntics, que emmagatzemen i processen informació, constituïts per sistemes de matèria com gasos atòmics freds o sòlids alterats, entre d'altres, com per partícules encarregades de transferir la informació, generalment fotons. Si bé els fotons semblen ser portadors perfectes d'informació, encara existeix certa incertesa sobre quin sistema de matèria es podria utilitzar com a node de la xarxa, ja que cada sistema proporciona diferents funcionalitats. Així doncs, científics d’aquest camp han considerat la possibilitat d'implementar una xarxa híbrida, buscant combinar les millors capacitats de diferents sistemes de materials.

Estudis anteriors han aconseguit transferències segures i fiables d'informació quàntica entre nodes “idèntics”, però aquesta és la primera vegada que això s'aconsegueix amb una xarxa de nodes "híbrids". Els investigadors de l'ICFO han trobat una solució per fer funcionar una xarxa quàntica híbrida i resoldre el repte d'una transferència segura i fiable dels estats quàntics entre diferents nodes quàntics a través de fotons individuals. A més de fer-ho dins un entorn lliure de soroll, un fotó individual necessita interactuar fortament amb els nodes heterogenis o sistemes de matèria, que generalment funcionen a diferents longituds d'ona i amples de banda. Com comenta Nicolas Maring, "és com tenir nodes parlant en dos idiomes diferents. Perquè es comuniquin correctament, cal convertir les propietats del fotó individual perquè pugui transferir eficientment tota la informació d'un node a l'altre".

Com van resoldre el problema
En el seu estudi, els investigadors van utilitzar dos nodes quàntics molt diferents en naturalesa: d'una banda, el node emissor estava constituït per un núvol d'àtoms de Rubidi refredat per làser i, d'altra banda, el node receptor era un cristall alterat amb ions de praseodimi. Del gas fred, van generar un sol fotó amb un ample de banda específic molt estret i una longitud d'ona de 780 nm. Després van convertir el fotó a la longitud d'ona de la telecomunicació de 1552nm per demostrar que aquesta xarxa podria ser completament compatible amb el rang actual de la banda C de telecomunicacions. Posteriorment, el van enviar d'un laboratori a un altre a través de la fibra òptica en forma d'un "time-bin" qubit fotònic. Un cop al segon laboratori, la longitud d’ona del fotó es va convertir a 606nm per interactuar correctament i transferir l'estat quàntic al node del cristall alterat receptor. Després de la interacció amb el cristal, l'estat quàntic del fotó es va emmagatzemar en el cristall durant aproximadament 2,5 microsegons i després es va recuperar amb una fidelitat molt alta.

Els resultats de l'estudi han demostrat que dos sistemes quàntics molt diferents poden estar connectats i comunicar-se entre si per mitjà d'un sol fotó. Com comenta el Prof. ICREA a l'ICFO Hugues de Riedmatten, "poder connectar nodes quàntics amb funcionalitats i capacitats molt diferents i transmetre bits quàntics entre ells per mitjà de fotons individuals representa una fita important en el desenvolupament de xarxes quàntiques híbrides". Ser capaços de realitzar la conversió dels qubits fotònics a la longitud d'ona de la banda C de telecomunicacions mostra que aquests sistemes serien completament compatibles amb les xarxes de telecomunicacions actuals.

Xarxes de informació quàntiques vs. clàsiques
La xarxa d'informació clàssica, mes ben coneguda com "World Wide Web", va ser desenvolupada els anys 80. La informació que flueix a través de la xarxa es realitza mitjançant "bits", es processa i modula per circuits i xips electrònics i es transmet a través de la xarxa per mitjà de polsos de llum dins de fibres òptiques, on hi ha una mínima pèrdua de senyal.

En lloc d'utilitzar els bits clàssics, les xarxes d'informació quàntica processen i emmagatzemen informació quàntica a través de bits quàntics o "qubits". Mentre que els bits poden ser 0s o 1s, els qubits poden tenir aquest dos valors o estar en qualsevol superposició entre aquests dos estats. En una xarxa quàntica, els qubits són generats i processats per sistemes de matèria quàntica, e.g. gasos atòmics freds, sòlids alterats o altres sistemes. A diferència de les xarxes clàssiques, la informació quàntica es transfereix entre els nodes utilitzant fotons individuals en lloc de polsos forts de llum.

Les xarxes d'informació quàntica (constituïdes per nodes quàntics de matèria i canals de comunicació quàntica) obriran una nova via de tecnologies disruptives, permetent així aplicacions com la transmissió de dades perfectament segura, el processament millorat de dades a través de computació quàntica distribuïda o aplicacions avançades de sincronització de rellotges, entre d'altres.

Més informació:


Sobre l’ICFO

L’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) és membre del Barcelona Institute of Science and Technology, un centre de recerca situat en un edifici dissenyat especialment de 14.000 m2, al Parc Mediterrani de la Tecnologia a l’àrea metropolitana de Barcelona. Actualment acull a 400 persones, incloent-hi caps de grup, investigadors postdoctorals, estudiants de doctorat, enginyers de recerca i personal d‘administració; organitzats en 27 grups de recerca que treballen en 60 laboratoris de darrera generació, amb les infraestructures més modernes i els millors equipaments en nanofabricació, caracterització, imatge i enginyeria.

La distinció Severo Ochoa, atorgada pel Ministerio de Ciencia e Innovación; 14 ICREA Professorships, 25 European Research Council grants i 6 Nest Fellowships de la Fundació Cellex Barcelona demostren la dedicació del centre a la recerca d’excel·lència, així com la presència constant de l’Institut en les millors posicions en els rànkings internacionals que mesuren la recerca d’excel·lència. Pel que fa al vessant industrial, l’ICFO participa activament en la plataforma tecnològica europea Photonics21 i és també proactiu en el foment d’activitats d’emprenedoria i la creació de spin-off. El centre participa en activitats d’incubació i mira d’atraure capital risc. L’ICFO acull un actiu Corporate Liaison Program que cerca l’establiment de col·laboracions promovent connexions entre la indústria i els investigadors de l’ICFO. Fins avui, l’ICFO ha ajudat a crear 6 empreses start-up exitoses.

Investigadors de l’ICFO construeixen una xarxa d’informació quàntica híbrida

De dreta a esquerra: Margherita Mazzera, Georg Heinze, Nicolas Maring, Hugues de Riedmatten, Kutlu Kutluer, i Pau Farrera. Credit: ICFO

Descarregar
Investigadors de l’ICFO construeixen una xarxa d’informació quàntica híbrida

D’esquerra a dreta: Georg Heinze, Pau Farrera i Nicolas Maring manipulant el set-up experimental. Credit: ICFO

Descarregar