Una cavidad superconductora de niobio. Los agujeros conducen a túneles que se cruzan para atrapar la luz y los átomos. Crédito: Aishwarya Kumar
Los científicos han descubierto un método para convertir información cuántica entre varias tecnologías cuánticas, lo que tiene importantes implicaciones para la computación, la comunicación y las redes cuánticas.
El estudio, publicado en la revista Nature, fue apoyado financieramente por la Oficina de Investigación del Ejército (ARO), la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (AFOSR) y el Instituto NSF Quantum Leap Challenge para Arquitecturas y Redes Cuánticas Híbridas (HQAN). , dirigido por la Universidad de Illinois Urbana-Champaign. Esto representa un enfoque innovador para transformar la información cuántica del formato utilizado por las computadoras cuánticas al formato necesario para la comunicación cuántica.
Los fotones, partículas de luz, son esenciales para las tecnologías de la información cuántica, pero las diferentes tecnologías los usan en diferentes frecuencias. Por ejemplo, algunas de las tecnologías de computación cuántica más comunes se basan en qubits superconductores, como los que utilizan los gigantes tecnológicos Google e IBM; estos qubits almacenan información cuántica en fotones que se mueven a frecuencias de microondas.
Pero si desea construir una red cuántica o conectar computadoras cuánticas, no puede enviar fotones de microondas porque su control sobre la información cuántica es demasiado débil para sobrevivir al viaje.
«Muchas de las tecnologías que usamos para la comunicación clásica (teléfonos celulares, Wi-Fi, GPS y similares) usan frecuencias de luz de microondas», dijo Aishwarya Kumar, becaria postdoctoral en el Instituto James Franck de la Universidad de Chicago y autora principal del artículo. “Pero no puedes hacer eso para la comunicación cuántica porque la información cuántica que necesitas está en un solo fotón. Y en las frecuencias de microondas, esa información quedará enterrada en el ruido térmico”.
Un diagrama de los niveles de energía de los electrones de rubidio. Dos de las brechas de nivel de energía corresponden a las frecuencias de fotones ópticos y fotones de microondas, respectivamente. Los láseres se utilizan para obligar al electrón a saltar a niveles más altos o caer a niveles más bajos. Crédito: Aishwarya Kumar
La solución es transferir la información cuántica a un fotón de mayor frecuencia, llamado fotón óptico, que es mucho más resistente al ruido ambiental. Pero la información no se puede transferir directamente de un fotón a otro; en cambio, necesitamos materia intermedia. Algunos experimentos diseñan dispositivos de estado sólido para este propósito, pero el experimento de Kumar apunta a algo más fundamental: los átomos.
Los electrones en los átomos solo pueden tener ciertas cantidades específicas de energía, llamadas niveles de energía. Si un electrón está en un nivel de energía más bajo, puede ser excitado a un nivel de energía más alto al ser golpeado por un fotón cuya energía coincida exactamente con la diferencia entre los niveles más alto y más bajo. Asimismo, cuando un electrón es forzado a bajar a un nivel de energía más bajo, el átomo emite un fotón con una energía que corresponde a la diferencia de energía entre los niveles.
Los átomos de rubidio tienen dos espacios en sus niveles que la tecnología de Kumar aprovecha: uno que es exactamente igual a la energía de un fotón de microondas y otro que es exactamente igual a la energía de un fotón óptico. Usando láseres para cambiar las energías de los electrones del átomo hacia arriba y hacia abajo, la tecnología permite que el átomo absorba un fotón de microondas con información cuántica y luego emita un fotón óptico con esa información cuántica. Esta traducción entre diferentes modos de información cuántica se llama “transducción”.
El uso eficaz de los átomos para este propósito es posible gracias al importante progreso que han logrado los científicos en la manipulación de objetos tan pequeños. «Nosotros, como comunidad, hemos desarrollado una tecnología notable en los últimos 20 o 30 años que nos permite controlar esencialmente todo lo relacionado con los átomos», dijo Kumar. “Así que el experimento es muy controlado y eficiente”.
Él dice que el otro secreto de su éxito es el progreso del campo en la electrodinámica cuántica de cavidades, donde un fotón queda atrapado en una cámara reflectante superconductora. Al obligar al fotón a rebotar en un espacio cerrado, la cavidad superconductora fortalece la interacción entre el fotón y cualquier materia que se coloque dentro de él.
Su cámara no parece demasiado cerrada; de hecho, se parece más a un bloque de queso suizo. Pero lo que parecen agujeros son en realidad túneles que se cruzan en una geometría muy específica, por lo que los fotones o los átomos pueden quedar atrapados en una intersección. Es un diseño inteligente que también permite a los investigadores acceder a la cámara para que puedan inyectar los átomos y fotones.
La tecnología funciona en ambos sentidos: puede transferir información cuántica de fotones de microondas a fotones ópticos y viceversa. Por lo tanto, podría estar a ambos lados de una conexión de larga distancia entre dos computadoras cuánticas superconductoras y servir como un componente fundamental para una Internet cuántica.
Pero Kumar cree que podría haber muchas más aplicaciones para esta tecnología además de las redes cuánticas. Su principal habilidad es entrelazar estrechamente átomos y fotones, una tarea esencial y difícil en muchas tecnologías cuánticas diferentes en todo el campo.
“Una de las cosas que realmente nos emociona es la capacidad de esta plataforma para generar entrelazamientos realmente eficientes”, dijo. “El entrelazamiento es fundamental para casi todo lo que nos importa, desde la computación hasta las simulaciones, la metrología y los relojes atómicos. Estoy emocionado de ver qué más podemos hacer”.
Referencia: «Onda milimétrica activada cuánticamente para la transducción óptica mediante átomos neutros» por Aishwarya Kumar, Aziza Suleymanzade, Mark Stone, Lavanya Taneja, Alexander Anferov, David I. Schuster y Jonathan Simon, 22 de marzo de 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-05740-2
