Fotons indistingibles a partir de nodes quàntics atòmics diferents

El desenvolupament de la internet quàntica és un esforç notable que s’està fent en paral·lel a la cerca d'ordinadors quàntics pràctics. Aquesta xarxa quàntica té com a objectiu facilitar l’intercanvi de bits quàntics d’informació (anomenats qubits) entre processadors quàntics, permetent nivells sense precedents de comunicació segura i potència computacional.

Un objectiu clau d’una xarxa quàntica és crear un entrellaçament remot entre dues unitats de processament distants, que després es poden utilitzar per a aplicacions específiques. Per aconseguir-ho, els investigadors estan explorant una nova tecnologia anomenada repetidor quàntic, que facilita la generació i transmissió d'entrellaçament entre dues estacions intermèdies, conegudes com a nodes quàntics. No obstant això, els sistemes físics utilitzats com a repetidors quàntics poden diferir significativament dels utilitzats als ordinadors quàntics. Per tant, és crucial desenvolupar una interfície entre aquestes diverses plataformes.

La interfície entre aquests sistemes normalment implica enviar fotons individuals des de cadascun i fer-los interferir. La qualitat d’aquesta interferència quàntica determina l’eficàcia amb què es pot distribuir l’entrellaçament per la xarxa. Assolir una interferència d'alta qualitat és un desafiament perquè els fotons han de ser indistingibles, i quan els nodes quàntics es basen en diferents tecnologies, fer que emetin fotons indistingibles és particularment difícil. Una solució comuna a aquest problema és seleccionar només una petita part dels fotons emesos, cosa que augmenta la indistingibilitat, però a costa d'una forta reducció en la taxa de detecció.

En aquest context, els investigadors de l'ICFO Dr. Fèlix Hoffet, Dr. Jan Lowinski, Dr. Lukas Heller, Dr. Auxiliadora Padró-Brito, dirigits pel Prof. ICREA Hugues de Riedmatten, han aconseguit produir fotons altament indistingibles a partir de nodes quàntics diferents sense descartar cap detecció, aconseguint un rècord mundial d'indistingibilitat en el camp de les xarxes quàntiques híbrides en aquestes condicions. Els resultats s'han publicat recentment a Physical Review X Quantum.

Com obtenir fotons indistingibles a partir de nodes quàntics

Per comprovar la indistingibilitat dels fotons emesos, l’equip primer va haver de recrear la unitat bàsica típica duna xarxa quàntica: dos nodes quàntics amb diferents tecnologies. Si escau, els dos nodes es basaven en àtoms freds de Rubidi. Un d'ells es va basar en un conjunt de Rydberg fred completament bloquejat (de vegades anomenat superàtom de Rydberg). Aquest sistema permet capacitats de processament quàntic i, en aquest experiment, va generar fotons individuals sota demanda. L'altre era un node repetidor quàntic basat en una memòria quàntica emissora i que emetia fotons individuals anunciats.

Els investigadors van fer servir la memòria quàntica per sincronitzar l'emissió dels dos fotons. A la memòria emissora es fan diverses proves de generació fins que la detecció d'un fotó anuncia la presència d'un fotó a la memòria. Després, el fotó s'emmagatzema a la memòria quàntica mentre s'envia un senyal clàssic al node de Rydberg, que s'utilitza com a disparador per generar un altre fotó únic d'una manera gairebé determinista. Finalment, el primer fotó s'allibera de la memòria quàntica en un moment precís i els dos fotons es barregen en un divisor de feix on es produeix una interferència quàntica. La qualitat d'aquesta interferència quàntica depèn aleshores de la indistingibilitat entre els dos fotons.

Per aconseguir la fita aconseguida, els investigadors van d’haver de desenvolupar diverses tècniques noves. En primer lloc, van adaptar les formes d'ona temporals dels fotons individuals emesos perquè coincidissin entre si, cosa que ja és un resultat important. Ho van aconseguir modulant els làsers utilitzats per llegir les excitacions atòmiques.

A més, atès que aquests nodes quàntics operen de forma independent, estan subjectes a fluctuacions experimentals no correlacionades. Això sol donar lloc a nombrosos problemes, ja que pot fer que els fotons siguin distingibles, interrompent així la interferència quàntica en uns pocs minuts. Aquesta qüestió és fonamental perquè els nodes quàntics necessiten mantenir les seves propietats quàntiques durant períodes perllongats, que duren diversos dies. Per abordar aquesta limitació, els investigadors van desenvolupar noves tècniques d’estabilització. Van mesurar periòdicament les ressonàncies atòmiques i van ajustar dinàmicament els experiments en funció dels resultats, garantint un rendiment quàntic constant durant desenes d'hores.

Un pas més a prop de l'Internet quàntic

Aquest repte experimental va proporcionar un terreny fèrtil per observar efectes no lineals que havien estat predits per la teoria, però mai confirmats experimentalment. En general, aquest experiment demostra que els sistemes atòmics freds són candidats prometedors per poder estendre les xarxes quàntiques. Els investigadors ara pretenen reutilitzar les tècniques que han desenvolupat i ampliar-ne la configuració experimental per demostrar que és factible distribuir l'entrellaçament entre sistemes híbrids.

Segons el Dr. Félix Hoffet, investigador de l'ICFO i primer autor de l'estudi: “Els àtoms freds són interessants per a aquest tipus d'experiments perquè, a diferència d'altres sistemes, cada àtom és idèntic. Sóc optimista en quant a que aquesta subtil distinció resultarà beneficiosa a llarg termini per connectar processadors quàntics amb repetidors quàntics. A més, donat el ràpid progrés en tots dos camps de recerca, crec que ara és important tancar la bretxa entre aquestes diferents plataformes i considerar ja una integració a major escala. Estic molt content de poder contribuir amb les idees inicials a aquesta gran iniciativa”.

Hugues de Riedmatten, professor ICREA a ICFO, conclou “És probable que les futures xarxes quàntiques combinin diferents nodes quàntics fets de diferents sistemes físics i amb diferents funcionalitats. Crear una interfície que permeti la distribució de l'entrellaçament entre sistemes quàntics dispars és un repte excepcional. La nostra feina és un pas en aquesta direcció, però queden molts més desafiaments per endavant, el primer dels quals serà interconnectar nodes quàntics fets de diferents àtoms”.