La investigación de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign ha logrado avances significativos en redes cuánticas, que utilizan una serie de átomos de iterbio-171 para establecer comunicaciones dentro de la longitud de onda de la banda de telecomunicaciones. Esta investigación, dirigida por el profesor Jacob P. Covey y publicada recientemente en física naturalaborda un desafío crucial de las comunicaciones cuánticas a larga distancia, que históricamente dependían de qubits que operaban en longitudes de onda visibles o ultravioleta, menos adecuadas para la transmisión a través de fibras ópticas.
Las redes cuánticas se basan en el fenómeno del entrelazamiento, donde el estado de una partícula puede influir instantáneamente en otra partícula, independientemente de la distancia. Sin embargo, convertir señales de qubits atómicos en longitudes de onda de bandas de telecomunicaciones puede comprometer su eficiencia e introducir ruido disruptivo.
En su innovadora investigación, el equipo de Covey demostró un entrelazamiento directo de alta fidelidad entre átomos y fotones en la banda de telecomunicaciones. El coautor Xiye Hu enfatizó que el estado metaestable de larga duración del iterbio-171 lo convierte en un excelente candidato no sólo para relojes atómicos, sino también para nuevas aplicaciones en computación cuántica y metrología.
La investigación aprovecha los conjuntos atómicos de itrio-171, que ofrecen potencial para capacidades de comunicaciones a larga distancia. Su configuración podría eventualmente soportar una red de procesadores cuánticos o relojes atómicos destinados a tareas de detección y cronometraje precisos.
Hu explicó que al utilizar una transición que se produce a una longitud de onda de 1389 nm desde el estado metaestable de 171Yb, el equipo pudo lograr el entrelazamiento entre átomos individuales y fotones individuales en la banda de telecomunicaciones con una fidelidad notable. Los investigadores utilizaron eficazmente la codificación de intervalos de tiempo para facilitar este entrelazamiento, lo que les permitió mapear su matriz atómica unidimensional en una matriz de fibras comercial. Esto demostró la posibilidad de paralelizar la colección de fotones y la generación de entrelazamiento a través del conjunto atómico.
En varias pruebas, el grupo descubrió que este enfoque de red cuántica paralelizada daba como resultado una fidelidad de entrelazamiento consistentemente alta con una interferencia mínima entre diferentes sitios de la red. Además, desarrollaron un «protocolo de red de circuito medio» que mantiene la coherencia de los qubits durante los esfuerzos de creación de redes. Hu señaló que la investigación detallada de los factores que limitan la confiabilidad del entrelazamiento átomo-fotón codificado en el tiempo arrojó soluciones que podrían mejorar el rendimiento, con potencial para lograr una confiabilidad del 99% a través de actualizaciones técnicas.
La compatibilidad geométrica del conjunto de átomos de 171Yb con los conjuntos de fibra óptica sugiere que la red propuesta puede manejar eficientemente tareas de paralelización generalizadas. Las futuras extensiones de esta investigación podrían aprovechar las estrategias de diseño y los protocolos de red desarrollados por el equipo de Covey para construir redes cuánticas que proporcionen altas velocidades de conectividad.
Hu comentó sobre el potencial de mejoras sustanciales al pasar de lentes de objetivo convencionales a una cavidad de recolección de fotones única, lo que supuestamente mejora la eficiencia de recolección en órdenes de magnitud.
Actualmente, el Covey Lab está diseñando un experimento con iterbio de segunda generación con la ambición de permitir comunicaciones cuánticas rápidas a largas distancias. Este esfuerzo implica colocar la matriz atómica en una cavidad confocal macroscópica sintonizada con la transición de 1389 nm. Además, el objetivo final es ampliar el entrelazamiento codificado en intervalos de tiempo demostrado para lograr un entrelazamiento átomo-átomo lejano, ya sea dentro de un solo dispositivo o entre múltiples dispositivos.
Las implicaciones de estos avances son profundas para los campos de la ciencia de la información y las comunicaciones cuánticas, y podrían potencialmente allanar el camino para redes cuánticas mejoradas en un futuro próximo.
