Prueba de un prototipo de internet cuántico se lleva a cabo debajo de la ciudad de Nueva York durante medio mes

24 de agosto de 2024

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por David Appell, Phys.org

Para introducir redes cuánticas en el mercado, los ingenieros deben superar la fragilidad de los estados entrelazados en un cable de fibra y garantizar la eficiencia en la entrega de señales. Ahora, científicos de Qunnect Inc. en Brooklyn, Nueva York, han dado un gran paso adelante al operar una red de este tipo bajo las calles de la ciudad de Nueva York.

Aunque otros han transmitido fotones entrelazados anteriormente, ha habido demasiado ruido y deriva de polarización en el entorno de fibra para que el entrelazamiento sobreviva, especialmente en una red estable a largo plazo.

'Aquí es donde entra en juego nuestro trabajo', dijo Mehdi Namazi, cofundador y director de ciencia de Qunnect. El diseño, métodos y resultados de la red del equipo se han publicado en PRX Quantum.

Para su red de prototipo, los investigadores de Qunnect utilizaron un circuito de fibra de 34 kilómetros en alquiler al que llamaron el lazo GothamQ. Utilizando fotones entrelazados por polarización, operaron el lazo durante 15 días continuos, logrando un tiempo de actividad del 99.84% y una fidelidad de compensación del 99% para pares de fotones entrelazados transmitidos a una tasa de aproximadamente 20,000 por segundo. A una tasa de medio millón de pares de fotones entrelazados por segundo, la fidelidad aún era casi del 90%.

La polarización de un fotón es la dirección de su campo eléctrico. (Puede ser más fácil de entender en la imagen de onda de la luz.) Quizás estés familiarizado con el fenómeno de las gafas de sol polarizadas, que son filtros que dejan pasar la luz de una dirección de polarización pero bloquean otras, reduciendo así el deslumbramiento reflejado en el agua, la nieve y el vidrio, por ejemplo.

Los fotones polarizados son útiles porque son fáciles de crear, simples de manipular (con filtros polarizados) y de medir.

En los últimos años, los fotones entrelazados por polarización se han utilizado para construir repetidores cuánticos a gran escala, computación cuántica distribuida y redes de sensores cuánticos distribuidos.

El entrelazamiento cuántico, tema del Premio Nobel de Física 2022, es un peculiar fenómeno cuántico en el que las partículas dentro de un estado cuántico tienen una conexión, a veces de larga distancia, de modo que medir una propiedad automáticamente determina las propiedades de otros con los que está entrelazado.

En su diseño, un fotón infrarrojo de longitud de onda de 1,324 nanómetros se entrelaza con un fotón de infrarrojo cercano de 795 nm. Se encontró que la deriva de polarización era dependiente tanto de la longitud de onda como del tiempo, lo que obligó a Qunnect a diseñar y construir equipo para la compensación activa en las mismas longitudes de onda.

Para generar estos pares de fotones de doble color entrelazados, se enviaron haces de entrada acoplados de ciertas longitudes de onda a través de una celda de vapor enriquecida con rubidio-78, donde excitaban los átomos de rubidio dentro de la celda, haciendo que un electrón externo hiciera una transición dos veces, a través de un orbital 5p a un orbital 6s.

Desde este estado doblemente excitado, a veces se emitía un fotón de 1,324 nm, y una posterior descomposición de electrones producía otro fotón, de 795 nm.

Enviaron pares de fotones entrelazados por polarización de 1,324 nm en superposiciones cuánticas a través de la fibra, un estado con ambas polarizaciones horizontales y el otro con ambas verticales, una configuración de dos qubits más conocida como un estado Bell. En tal superposición, los pares de fotones cuánticos mecánicamente cuánticos están en ambos estados al mismo tiempo.

Sin embargo, en los cables ópticos, tales sistemas de fotones son más propensos a perturbaciones de su polarización debido a vibraciones, curvaturas y fluctuaciones de presión y temperatura dentro del cable, y pueden requerir recalibraciones frecuentes. Debido a que estos tipos de perturbaciones pueden ser casi imposibles de detectar y aislar, y mucho menos de mitigar, el equipo de Qunnect construyó dispositivos de compensación de polarización automatizados (APC) para compensarlos electrónicamente.

Al enviar pares de fotones clásicos, no entrelazados, de 1,324 nm con polarizaciones conocidas por la fibra, pudieron medir cuánto derivaba o se modificaba su polarización. La deriva de polarización se midió a cuatro distancias de transmisión: cero, 34, 69 y 102 km, enviando los fotones clásicos cero, una, dos o tres veces alrededor del lazo metropolitano bajo las calles de Brooklyn y Queens. Luego utilizaron los APC para corregir la polarización de los pares entrelazados.

La demostración del bucle GothamQ de Qunnect fue especialmente notable por su duración, la naturaleza sin intervención del tiempo de operación y su porcentaje de tiempo activo. Mostró, escribieron, 'progreso hacia una red de enredo práctica completamente automatizada' que sería necesaria para una internet cuántica. Namazi dijo que 'desde que terminamos este trabajo, ya hemos montado en rack todas las partes, para que puedan ser utilizadas en cualquier lugar' - equipamiento combinado que ellos llaman Qu-Val.

Más información: Alexander N. Craddock et al, Distribución Automatizada de Fotones de Polarización Enredados Utilizando Fibras Desplegadas en la Ciudad de Nueva York, PRX Quantum (2024). DOI: 10.1103/PRXQuantum.5.030330

Información del diario: PRX Quantum

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