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Se logra un qubit fotónico para la teleportación cuántica global

Se logra un qubit fotónico para la teleportación cuántica global

Con respecto al desarrollo de memorias cuánticas para la realización de redes cuánticas globales, los científicos de la División de Dinámica Cuántica dirigidos por el Profesor Gerhard Rempe en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ) han logrado un gran avance, según un comunicado de este organismo.

Se logra un qubit fotónico para la teleportación cuántica global

Científicos alemanes han logrado largos tiempos de almacenamiento para bits cuánticos fotónicos que rompen el límite inferior para la teleportación directa en una red cuántica global.
   Con respecto al desarrollo de memorias cuánticas para la realización de redes cuánticas globales, los científicos de la División de Dinámica Cuántica dirigidos por el Profesor Gerhard Rempe en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ) han logrado un gran avance, según un comunicado de este organismo.
   En concreto, demostraron el almacenamiento de larga duración de un qubit fotónico en un solo átomo atrapado en un resonador óptico. El tiempo de coherencia del bit cuántico almacenado dura más de 100 milisegundos y, por lo tanto, coincide con el requisito para la creación de una red cuántica global en la que los qubits se teletransportan directamente entre los nodos finales. "Los tiempos de coherencia que logramos representan una mejora de dos órdenes de magnitud en comparación con el estado actual de la tecnología", dice el profesor Rempe.
   La luz es un soporte ideal para la información cuántica codificada en fotones individuales, pero la transferencia a largas distancias es ineficiente y poco confiable debido a las pérdidas. La teletransportación directa entre los nodos finales de una red puede utilizarse para evitar la pérdida de bits cuánticos preciosos. En primer lugar, se debe crear un entrelazamiento remoto entre los nodos; luego, una medición adecuada en el lado del emisor desencadena la "acción fantasmal a distancia", es decir, el transporte instantáneo del qubit al nodo del receptor.
   Sin embargo, el bit cuántico puede rotarse cuando llega al receptor y, por lo tanto, debe revertirse. Con este fin, la información necesaria tiene que ser comunicada clásicamente del emisor al receptor. Esto lleva una cierta cantidad de tiempo, durante el cual el qubit debe conservarse en el receptor. Teniendo en cuenta dos nodos de red en los lugares más distantes de la tierra, esto corresponde a un lapso de tiempo de 66 milisegundos.
   En 2011, el grupo del Profesor Rempe demostró una técnica exitosa para almacenar un bit cuántico fotónico en un solo átomo. El átomo se coloca en el centro de una cavidad óptica que está formada por dos espejos de alta finura y se mantiene en su lugar mediante ondas de luz estacionarias. Un único fotón que transporta el bit cuántico en una superposición coherente de dos estados de polarización comienza a interactuar fuertemente con el átomo individual una vez que se envía al resonador. En última instancia, el átomo absorbe el fotón y el bit cuántico se transfiere a una superposición coherente de dos estados atómicos. El desafío es mantener la superposición atómica el mayor tiempo posible. En experimentos anteriores, el tiempo de almacenamiento se limitaba a unos pocos cientos de microsegundos.
   "El principal problema para almacenar bits cuánticos es el fenómeno del desfase", explica Stefan Langenfeld, un candidato al doctorado involucrado en el experimento. "Característica de un bit cuántico es la fase relativa de las funciones de onda de los estados atómicos que se superponen coherentemente. Desafortunadamente, en los experimentos del mundo real, esta relación de fase se pierde en el tiempo debido principalmente a la interacción con campos magnéticos ambientales fluctuantes".
   En su experimento actual, los científicos toman nuevas medidas para contrarrestar el impacto de esas fluctuaciones. Una vez que la información se transfiere del fotón al átomo, la población de un estado atómico se transfiere coherentemente a otro estado. Esto se hace usando un par de rayos láser para inducir una transición Raman. En esta nueva configuración, el qubit almacenado es 500 veces menos sensible a las fluctuaciones del campo magnético.
   Antes de la recuperación del bit cuántico fotónico almacenado, la transición de Raman se invierte. Para un tiempo de almacenamiento de 10 milisegundos, la superposición del fotón almacenado con el fotón recuperado es aproximadamente del 90%. Esto significa que la mera transferencia del qubit atómico a una configuración de estado menos sensible extiende el tiempo de coherencia en un factor de 10. Se obtuvo otro factor de 10 añadiendo un denominado "eco de espín" a la secuencia experimental.
   Aquí, la población de los dos estados atómicos utilizados para el almacenamiento se intercambia en el medio del tiempo de almacenamiento. "La nueva técnica nos permite preservar la naturaleza cuántica del bit almacenado durante más de 100 milisegundos", dice Matthias Körber, un candidato doctoral en el experimento.
   "Aunque una red cuántica global prevista que permite el transporte seguro y confiable de información cuántica aún exige mucha investigación, el almacenamiento de larga duración de los bits cuánticos es una de las tecnologías clave y creemos que las mejoras actuales nos traerán una importante paso más cerca de su realización", agregó.

Científicos alemanes han logrado largos tiempos de almacenamiento para bits cuánticos fotónicos que rompen el límite inferior para la teleportación directa en una red cuántica global.

Con respecto al desarrollo de memorias cuánticas para la realización de redes cuánticas globales, los científicos de la División de Dinámica Cuántica dirigidos por el Profesor Gerhard Rempe en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ) han logrado un gran avance, según un comunicado de este organismo.

En concreto, demostraron el almacenamiento de larga duración de un qubit fotónico en un solo átomo atrapado en un resonador óptico. El tiempo de coherencia del bit cuántico almacenado dura más de 100 milisegundos y, por lo tanto, coincide con el requisito para la creación de una red cuántica global en la que los qubits se teletransportan directamente entre los nodos finales. "Los tiempos de coherencia que logramos representan una mejora de dos órdenes de magnitud en comparación con el estado actual de la tecnología", dice el profesor Rempe.

La luz es un soporte ideal para la información cuántica codificada en fotones individuales, pero la transferencia a largas distancias es ineficiente y poco confiable debido a las pérdidas. La teletransportación directa entre los nodos finales de una red puede utilizarse para evitar la pérdida de bits cuánticos preciosos. En primer lugar, se debe crear un entrelazamiento remoto entre los nodos; luego, una medición adecuada en el lado del emisor desencadena la "acción fantasmal a distancia", es decir, el transporte instantáneo del qubit al nodo del receptor.

Sin embargo, el bit cuántico puede rotarse cuando llega al receptor y, por lo tanto, debe revertirse. Con este fin, la información necesaria tiene que ser comunicada clásicamente del emisor al receptor. Esto lleva una cierta cantidad de tiempo, durante el cual el qubit debe conservarse en el receptor. Teniendo en cuenta dos nodos de red en los lugares más distantes de la tierra, esto corresponde a un lapso de tiempo de 66 milisegundos.

En 2011, el grupo del Profesor Rempe demostró una técnica exitosa para almacenar un bit cuántico fotónico en un solo átomo. El átomo se coloca en el centro de una cavidad óptica que está formada por dos espejos de alta finura y se mantiene en su lugar mediante ondas de luz estacionarias. Un único fotón que transporta el bit cuántico en una superposición coherente de dos estados de polarización comienza a interactuar fuertemente con el átomo individual una vez que se envía al resonador. En última instancia, el átomo absorbe el fotón y el bit cuántico se transfiere a una superposición coherente de dos estados atómicos. El desafío es mantener la superposición atómica el mayor tiempo posible. En experimentos anteriores, el tiempo de almacenamiento se limitaba a unos pocos cientos de microsegundos.

"El principal problema para almacenar bits cuánticos es el fenómeno del desfase", explica Stefan Langenfeld, un candidato al doctorado involucrado en el experimento. "Característica de un bit cuántico es la fase relativa de las funciones de onda de los estados atómicos que se superponen coherentemente. Desafortunadamente, en los experimentos del mundo real, esta relación de fase se pierde en el tiempo debido principalmente a la interacción con campos magnéticos ambientales fluctuantes".

En su experimento actual, los científicos toman nuevas medidas para contrarrestar el impacto de esas fluctuaciones. Una vez que la información se transfiere del fotón al átomo, la población de un estado atómico se transfiere coherentemente a otro estado. Esto se hace usando un par de rayos láser para inducir una transición Raman. En esta nueva configuración, el qubit almacenado es 500 veces menos sensible a las fluctuaciones del campo magnético.

Antes de la recuperación del bit cuántico fotónico almacenado, la transición de Raman se invierte. Para un tiempo de almacenamiento de 10 milisegundos, la superposición del fotón almacenado con el fotón recuperado es aproximadamente del 90%. Esto significa que la mera transferencia del qubit atómico a una configuración de estado menos sensible extiende el tiempo de coherencia en un factor de 10. Se obtuvo otro factor de 10 añadiendo un denominado "eco de espín" a la secuencia experimental.

Aquí, la población de los dos estados atómicos utilizados para el almacenamiento se intercambia en el medio del tiempo de almacenamiento. "La nueva técnica nos permite preservar la naturaleza cuántica del bit almacenado durante más de 100 milisegundos", dice Matthias Körber, un candidato doctoral en el experimento.

"Aunque una red cuántica global prevista que permite el transporte seguro y confiable de información cuántica aún exige mucha investigación, el almacenamiento de larga duración de los bits cuánticos es una de las tecnologías clave y creemos que las mejoras actuales nos traerán una importante paso más cerca de su realización", agregó.

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