Los físicos demuestran la primera red de computadoras cuánticas en el área metropolitana de Boston

15 de mayo, 2024

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por la Universidad de Harvard

Una cosa es soñar con una internet cuántica que podría enviar información a prueba de hackers alrededor del mundo mediante fotones superpuestos en diferentes estados cuánticos. Otra cosa muy diferente es demostrar físicamente que es posible.

Eso es exactamente lo que han hecho los físicos de Harvard utilizando la existente fibra de telecomunicación en el área de Boston, en una demostración de la mayor distancia de fibra entre dos nodos de memoria cuántica hasta la fecha. Piensa en ello como un internet simple y cerrado entre el punto A y B, transportando una señal codificada no por bits clásicos como el internet existente, sino por partículas individuales de luz perfectamente seguras.

El innovador trabajo, titulado "Entrelazamiento de nodos de memoria cuántica nanofotónica en una red de telecomunicaciones" y publicado en Nature, fue dirigido por Mikhail Lukin, el Profesor Universitario Joshua y Beth Friedman en el Departamento de Física, en colaboración con los profesores de Harvard Marko Lončar y Hongkun Park, quienes son todos miembros de la Iniciativa Cuántica de Harvard, junto con investigadores de Amazon Web Services.

El equipo de Harvard estableció los fundamentos prácticos de la primera internet cuántica mediante el entrelazamiento de dos nodos de memoria cuántica separados por un enlace de fibra óptica desplegado, en un tramo de alrededor de 22 millas de Cambridge, Somerville, Watertown y Boston. Los dos nodos estaban ubicados en un piso aparte en el Laboratorio para Ciencia e Ingeniería Integradas de Harvard.

La memoria cuántica, análoga a la memoria del ordenador clásico, es un componente importante de un futuro de computación cuántica interconectada, ya que permite operaciones de red complejas y almacenamiento y recuperación de información. Si bien se han creado otras redes cuánticas en el pasado, la de Harvard es la red de fibra más larga entre dispositivos que pueden almacenar, procesar y mover información.

Cada nodo es un pequeño ordenador cuántico, hecho de un fragmento de diamante que tiene un defecto en su estructura atómica llamado centro de vacío de silicona. Dentro del diamante, las estructuras talladas más pequeñas que un centésimo de la anchura de un cabello humano realzan la interacción entre el centro de vacío de silicona y la luz.

El centro de vacío de silicona contiene dos qubits, o bits de información cuántica: uno en forma de giro electrónico utilizado para la comunicación, y el otro en un giro nuclear más duradero utilizado como un qubit de memoria para almacenar el entrelazamiento, la propiedad cuántica que permite que la información se correlacione perfectamente a través de cualquier distancia.

Ambos giros son completamente controlables con impulsos de microondas. Estos dispositivos de diamante, de solo unos pocos milímetros cuadrados, se alojan en unidades de refrigeración por dilución que alcanzan temperaturas de -459°F.

El uso de centros de vacío de silicona como dispositivos de memoria cuántica para fotones individuales ha sido un programa de investigación de varios años en Harvard. La tecnología resuelve un gran problema en la internet cuántica teorizada: la pérdida de señal que no puede ser aumentada de formas tradicionales.

Una red cuántica no puede utilizar los repetidores de señal de fibra óptica estándar porque la copia de información cuántica arbitraria es imposible, lo que hace que la información sea segura, pero también muy difícil de transportar a largas distancias.

Los nodos de red basados en centros de vacío de silicona pueden capturar, almacenar y entrelazar bits de información cuántica mientras corrigen la pérdida de señal. Después de enfriar los nodos a cerca de cero absoluto, la luz se envía a través del primer nodo y, debido a la naturaleza de la estructura atómica del centro de vacío de silicona, se entrelaza con él.

"Dado que la luz ya está entrelazada con el primer nodo, puede transferir este entrelazamiento al segundo nodo", explicó el primer autor Can Knaut, un estudiante de la Escuela de Graduados Kenneth C. Griffin de Artes y Ciencias en el laboratorio de Lukin. "A esto lo llamamos entrelazamiento mediado por fotones".

En los últimos años, los investigadores han alquilado fibra óptica a una empresa en Boston para realizar sus experimentos, superponiendo su red de demostración sobre la fibra existente para indicar que la creación de una internet cuántica con líneas de red similares sería posible.

"Mostrar que los nodos de red cuántica pueden entrelazarse en el entorno real de una zona urbana muy concurrida, es un paso importante hacia una red práctica entre ordenadores cuánticos", dijo Lukin.

Una red cuántica de dos nodos es solo el comienzo. Los investigadores están trabajando diligentemente para extender el rendimiento de su red añadiendo nodos y experimentando con más protocolos de red.

Journal information: Nature

Provided by Harvard University