Físicos entrelazan más de una docena de fotones de manera eficiente

Físicos del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica han logrado entrelazar más de una docena de fotones de manera eficiente y definida. Por lo tanto, están creando una base para un nuevo tipo de computadora cuántica. 

31 de agosto de 2022

Los fenómenos del mundo cuántico, que a menudo parecen extraños desde la perspectiva del mundo cotidiano común, han encontrado hace mucho tiempo su camino en la tecnología. Por ejemplo, entrelazamiento: una conexión físico-cuántica entre partículas que las une de una manera extraña a distancias arbitrariamente largas. Se puede usar, por ejemplo, en una computadora cuántica, una máquina de computación que, a diferencia de una computadora convencional, puede realizar numerosas operaciones matemáticas simultáneamente. Sin embargo, para usar una computadora cuántica de manera rentable, una gran cantidad de partículas entrelazadas deben trabajar juntas. Son los  para los cálculos, los llamados qubits.

Configuración de un resonador óptico en vacío. Un solo átomo de rubidio queda atrapado entre los espejos de forma cónica dentro del soporte.  Aumentar imagen
Configuración de un resonador óptico en vacío. Un solo átomo de rubidio queda atrapado entre los espejos de forma cónica dentro del soporte.  [menos]

"Los fotones, las partículas de luz, son particularmente adecuados para esto porque son robustos por naturaleza y fáciles de manipular", dice Philip Thomas, estudiante de doctorado en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ) en Garching, cerca de Munich. Junto con colegas de la División de Dinámica Cuántica dirigida por el Prof. Gerhard Rempe, ahora ha logrado dar un paso importante para hacer que  como la computación cuántica: por primera vez, el equipo generó hasta 14 fotones entrelazados de una manera definida y con alta eficiencia.

Un átomo como fuente de fotones

"El truco de este experimento fue que usamos un  para emitir los fotones y entrelazarlos de una manera muy específica", dice Thomas. Para hacer esto, los investigadores de Max Planck colocaron un átomo de rubidio en el centro de una cavidad óptica, una especie de cámara de eco para ondas electromagnéticas. Con la luz láser de una cierta frecuencia, el estado del átomo podría abordarse con precisión. Usando un pulso de control adicional, los investigadores también desencadenaron específicamente la emisión de un fotón que está entrelazado con el estado cuántico del átomo.

"Repetimos este proceso varias veces y de una manera previamente determinada", informa Thomas. En el medio, el átomo fue manipulado de cierta manera, en la jerga técnica: girado. De esta manera, fue posible crear una cadena de hasta 14 partículas de luz que se enredaron entre sí por las rotaciones atómicas y se llevaron a un estado deseado. "Hasta donde sabemos, las 14 partículas de luz interconectadas son el mayor número de fotones entrelazados que se han generado en el laboratorio hasta ahora", dice Thomas.

Proceso de generación determinista

Pero no es solo la cantidad de fotones entrelazados lo que marca un paso importante hacia el desarrollo de poderosas computadoras cuánticas: la forma en que se generan también es muy diferente de los métodos convencionales. "Debido a que la cadena de fotones surgió de un solo átomo, podría producirse de una manera determinista", explica Thomas. Esto significa: en principio, cada pulso de control en realidad entrega un fotón con las propiedades deseadas. Hasta ahora, el entrelazamiento de fotones generalmente tenía lugar en cristales especiales no lineales. La deficiencia: allí, las partículas de luz se crean esencialmente al azar y de una manera que no se puede controlar. Esto también limita el número de partículas que se pueden agrupar en un estado colectivo.

Configuración experimental con cámara de vacío en una mesa óptica Aumentar imagen
Configuración experimental con cámara de vacío en una mesa óptica

El método utilizado por el equipo de Garching, por otro lado, permite básicamente generar cualquier número de fotones entrelazados. Además, el método es particularmente eficiente, otra medida importante para posibles aplicaciones técnicas futuras: "Al medir la cadena de fotones producida, pudimos demostrar una eficiencia de casi el 50%", dice Philip Thomas. Esto significa que casi cada segundo "pulsación de un botón" en el átomo de rubidio entregó una partícula de luz utilizable, mucho más de lo que se ha logrado en experimentos anteriores. "En general, nuestro trabajo elimina un obstáculo de larga data en el camino hacia la computación cuántica escalable y basada en mediciones", dice el director del departamento, Gerhard Rempe.

Más espacio para la comunicación cuántica

Los científicos del MPQ quieren eliminar otro obstáculo. Las operaciones informáticas complejas, por ejemplo, requerirían al menos dos átomos como fuentes de fotones en el resonador. Los físicos cuánticos hablan de un estado de cúmulo bidimensional. "Ya estamos trabajando para abordar esta tarea", dice Philip Thomas.

El investigador de Max Planck también enfatiza que las posibles aplicaciones técnicas se extienden mucho más allá de la computación cuántica: "Otro ejemplo de aplicación es la comunicación cuántica", la transmisión de información a prueba de toques, por ejemplo, por luz en una fibra óptica. Allí, la luz experimenta pérdidas inevitables durante su propagación debido a efectos ópticos como la dispersión y la absorción, lo que limita la distancia a través de la cual se pueden transportar los datos. Usando el método desarrollado en Garching, la información cuántica podría empaquetarse en fotones entrelazados y también podría sobrevivir a una cierta cantidad de pérdida de luz, y permitir una comunicación segura a mayores distancias.