Los investigadores demuestran la transferencia de estados de fotones múltiples entre nodos superconductores remotos.
10 de febrero de 2024 característica
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por Ingrid Fadelli, Phys.org
En las últimas décadas, los físicos cuánticos e ingenieros han estado tratando de desarrollar nuevos y confiables sistemas de comunicación cuántica. Estos sistemas podrían servir en última instancia como un banco de pruebas para evaluar y avanzar los protocolos de comunicación.
Investigadores de la Universidad de Chicago presentaron recientemente un nuevo banco de pruebas de comunicación cuántica con nodos superconductores remotos y demostraron la comunicación bidireccional de fotones múltiples en este banco de pruebas. Su artículo, publicado en Physical Review Letters, podría abrir una nueva ruta hacia la realización de la comunicación eficiente de estados cuánticos complejos en circuitos superconductores.
"Estamos desarrollando qubits superconductores para la computación cuántica modular y como banco de pruebas de comunicación cuántica", dijo Andrew Cleland, coautor del artículo, a Phys.org. "Ambos dependen de poder comunicar estados cuánticos coherentemente entre "nodos" de qubits que están conectados entre sí con una red de comunicación dispersa, típicamente una sola línea de transmisión física".
El estudio reciente de los investigadores se basa en dos artículos de investigación anteriores publicados en Nature Physics y Nature. En estos trabajos anteriores, el equipo demostró que podían generar entrelazamiento remoto y enviar estados cuánticos complejos, este último de un qubit a la vez.
"En nuestro nuevo estudio, queríamos intentar enviar estados cuánticos complejos que representen múltiples qubits al mismo tiempo", dijo Cleland. "Para hacer esto, cargamos el estado cuántico a enviar en un resonador y luego enviamos todo el estado del resonador a través de la línea de transmisión, capturándolo con un resonador remoto para su análisis posterior".
Los resonadores, dispositivos que exhiben resonancia eléctrica, tienen un número infinito nominal de niveles cuánticos. Como resultado, teóricamente son capaces de almacenar estados muy complejos que codifican datos equivalentes a varios qubits. Debido a estas características ventajosas, el uso de resonadores para enviar y recibir datos podría aumentar el ancho de banda disponible.
En su experimento, Cleland y sus colegas utilizaron dos qubits superconductores, cada uno de los cuales estaba conectado a un resonador superconductor ajustable. Cada uno de estos resonadores, a su vez, estaba conectado a una línea de transmisión de 2 m de longitud a través de un dispositivo conocido como acoplador variable.
"Usamos un qubit superconductor para 'programar' diferentes estados cuánticos en su resonador compañero, utilizando métodos que hemos establecido hace muchos años", dijo Cleland.
"Luego activamos el acoplamiento del resonador a la línea de transmisión, liberando el estado cuántico (posiblemente complejo) del resonador hacia la línea de transmisión, donde se transmite como un conjunto (posiblemente complejo) de fotones móviles entrelazados. Luego, el otro resonador 'captura' esos fotones utilizando el proceso inverso de liberación, y usamos el qubit de ese resonador para analizar el estado recibido. El sistema puede transmitir en ambas direcciones por igual (por lo tanto, 'bidireccional')."
El diseño implementado por los investigadores les permitió realizar la transmisión bidireccional de fotones de frecuencia de microondas individuales, así como la transmisión simultánea de un estado de Fock de dos fotones |2> en una dirección con la transmisión de un estado de Fock de un fotón |1> en la otra dirección, así como la transmisión (por separado) de estados superpuestos de Fock de fotones |0>+|1> y |0>+|2>.
"Luego mostramos la generación de los llamados estados N00N, que representan el entrelazamiento entre los dos resonadores, y finalmente logramos la primera generación del estado entrelazado |10>+|01> con un fotón 'compartido' entre los dos resonadores, y luego la generación del estado |20>+|02>, con dos fotones 'compartidos' de la misma manera", dijo Cleland.
"En general, nuestro trabajo demuestra un camino factible hacia la comunicación altamente eficiente de estados cuánticos más complejos que solo fotones individuales entre dos nodos"
El nuevo banco de pruebas de comunicación cuántica presentado por Cleland y sus colegas podría allanar el camino para trabajos y avances adicionales. En primer lugar, podría utilizarse para realizar computación distribuida, en la que cada nodo en un circuito realiza cálculos y comunica eficientemente los resultados a otro nodo. Además, podría utilizarse para demostrar sistemas en los que dos nodos comparten un estado complejo y cada uno realiza manipulaciones distintas en este estado.
"Nuestra plataforma también podría utilizarse para la comunicación cuántica, donde, por ejemplo, se podría transmitir información cuántica codificada de cierta complejidad en una sola transferencia", agregó Cleland.
'We are now working on a number of different aspects of this experiment; for instance, we plan on increasing the number of nodes (which were two in our recent experiment), increasing the fidelity of the process, and exploring what is possible if we have more communication channels in parallel.'
Journal information: Nature , Physical Review Letters , Nature Physics , arXiv
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