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| Cristal utilizado para almacenar qubits fotónicos e iluminado por un láser en un criostato, un instrumento para obtener temperaturas criogénicas. (c) Antonio Ortu/CC-BY |
El desarrollo de sistemas de comunicación cuántica de larga distancia tiene un obstáculo importante: Tras unos cientos de kilómetros dentro de una fibra óptica, los fotones que transportan los qubits o "bits cuánticos" (la información) desaparecen. Se pierde, por tanto, el estado cuántico que asegura su confidencialidad.
Sin embargo, sigue siendo un reto conseguir un almacenamiento de larga duración a nivel cuántico.
Recientemente, un equipo de la UNIGE ha conseguido almacenar un qubit o bit cuántico durante 20 milisegundos. Con ello, han establecido un récord mundial. Simultáneamente, han dado un paso importante hacia el desarrollo de redes de telecomunicaciones cuánticas de larga distancia.
Antes de esto, una memoria cuántica de estado sólido nunca había logrado esta duración.
En 2015, Mikael Afzelius, de la Universidad de Ginebra (UNIGE), fue capaz de almacenar un qubit transportado por un fotón durante 0,5 milisegundos en un cristal (una "memoria"). Este proceso hizo que el fotón pasara de su estado cuántico a los átomos del cristal antes de desaparecer. Sin embargo, este fenómeno no podía durar lo suficiente.
En este estudio, los científicos aumentaron esta duración almacenando un qubit durante 20 milisegundos. Se trata de un récord mundial para una memoria cuántica basada en un sistema de estado sólido, en este caso, un cristal.
Es más, los científicos alcanzaron la marca de los 100 milisegundos con una pequeña pérdida de fidelidad.
En un estudio anterior, los científicos utilizaron cristales dopados con ciertos metales llamados "tierras raras" (europio). Estos materiales de tierras raras pueden absorber y reemitir luz. Los científicos mantuvieron estos cristales a -273,15 °C (cero absoluto). A más de 10 °C, la agitación térmica del cristal destruye el entrelazamiento de los átomos.
En este estudio, los científicos aplicaron al cristal un pequeño campo magnético de una milésima de Tesla. A continuación, utilizaron métodos de desacoplamiento dinámico, que enviaron intensas radiofrecuencias al cristal. La técnica desacopla los iones de tierras raras de las perturbaciones del entorno y aumenta el rendimiento del almacenamiento en casi un factor de 40.
El estudio podría conducir al desarrollo de redes de telecomunicaciones cuánticas de larga distancia. Además, lleva el almacenamiento de un estado cuántico transportado por un fotón a una escala de tiempo que el ser humano puede estimar.
Mikael Afzelius dijo: "El reto ahora es ampliar el tiempo de almacenamiento aún más. En teoría, bastaría con aumentar la duración de la exposición del cristal a las radiofrecuencias. Sin embargo, por el momento, los obstáculos técnicos para su aplicación durante un periodo de tiempo más largo nos impiden ir más allá de los 100 milisegundos. Sin embargo, estas dificultades técnicas pueden resolverse sin duda".
Fuentes, créditos y referencias:
Ortu, A., Holzäpfel, A., Etesse, J. et al. Storage of photonic time-bin qubits for up to 20 ms in a rare-earth doped crystal. npj Quantum Inf 8, 29 (2022). DOI: 10.1038/s41534-022-00541-3
Fuente: UNIGE