Propagació segura d'entrellaçament només prement un botó

L'entrellaçament, "l'acció fantasmal a distància" d'Einstein, és avui en dia l'eina per a la ciència de la informació quàntica. És el recurs essencial per als ordinadors quàntics i per transmetre informació quàntica a una futura xarxa quàntica. Però aquesta eina és molt sensible, ja que és un enorme desafiament entrellaçar bits quàntics en repòs (qubits) amb qubits en vol en forma de fotons "amb només pressionar un botó". Ara, un equip dirigit per Gerhard Rempe, director de l’Institut Max Planck d’Òptica Quàntica a Garching, Alemanya, ha aconseguit fer exactament això amb àtoms connectats en paral·lel, intercalats entre dos miralls gairebé perfectes. Aquesta configuració garanteix una interacció fiable amb fotons en forma de qubits en vol, una tècnica de la qual va ser pioner Gerhard Rempe. Utilitzant pinces òptiques, l'equip va poder controlar individualment fins a sis àtoms i entrellaçar cadascun amb un fotó. Mitjançant una tècnica de multiplexació, els científics van demostrar la generació d'entrellaçament àtom-fotó amb gairebé un 100% d'eficiència, un èxit innovador per distribuir l'entrellaçament a través d'una xarxa quàntica. El treball es publica avui a la revista Science.

Les interfícies entre qubits en repòs i qubits en moviment entren en joc sempre que cal transmetre informació quàntica a llargues distàncies. "Un aspecte és la comunicació d'informació quàntica a llargues distàncies en un futur Internet quàntic", explica Emanuele Distante, que va supervisar l'experiment com a investigador postdoctoral i ara és investigador a l'ICFO: "El segon aspecte és l'objectiu de connectar molts qubits en una xarxa per crear un ordinador quàntic més poderós. Ambdues aplicacions requereixen interfícies eficients entre qubits en repòs i qubits en moviment. Aquesta és la raó per la qual molts grups a tot el món estan investigant de manera accelerada interfícies a escala quàntica de per a la interacció de matèria llum".

S'estan aplicant diversos enfocaments tècnics diferents. Gerhard Rempe i el seu equip de Garching fa molts anys que treballen en un mètode que utilitza, com a ressonador òptic, àtoms de rubidi ultrafreds capturats i atrapats entre dos miralls gairebé perfectes. La meta se centra a construir un Internet quàntic futur. Aquest enfocament té un avantatge inherent perquè permet que un àtom atrapat interactuï d'una manera molt eficient amb un fotó, que rebota entre els dos miralls unes vint mil vegades com una pilota de ping-pong. A més, com que un dels dos miralls és lleugerament més transparent que l'altre, el fotó surt en una direcció exactament predeterminada. Això vol dir que no es perd, sinó que es pot acoblar de manera fiable a una fibra òptica. Si aquest fotó s'entrellaça amb l'àtom mitjançant un protocol específic de polsos de llum làser, aquest entrellaçament es manté a mesura que el fotó viatja.

Multiplexació per evitar pèrdues de transmissió

El 2012, l'equip de Garching va aconseguir entrellaçar un àtom en un ressonador amb un segon àtom, en un altre ressonador, mitjançant una "ràdio de fotons" a través d'una fibra de vidre de 60 metres de llargada. Amb l'ajuda del fotó transmès, van formar un objecte quàntic entrellaçat estès a partir de tots dos àtoms. Tot i això, el fotó no s'ha de perdre en la fibra de vidre durant el camí, i aquest és precisament el problema amb viatges a llarga distància. La solució, almenys per a distàncies mitges d'uns pocs quilòmetres, s'anomena multiplexació o multiplexat. La multiplexació és un mètode estàndard utilitzat en la tecnologia de la informació clàssica per fer que la transmissió sigui més robusta. És com un enllaç de ràdio a través d'una àrea sorollosa: si envieu el senyal de ràdio a través de diversos canals paral·lels, augmenta la probabilitat que arribi al receptor a través de com a mínim un canal.

"Sense la multiplexació ni tan sols el nostre Internet actual funcionaria", explica Distante, "Però traslladar aquest mètode als sistemes d'informació quàntics suposa un desafiament especial". La multiplexació no només és interessant per a la transmissió segura a llarga distància en el futur internet quàntic, sinó també per a una xarxa quàntica local. Un exemple és l'ordinador quàntic distribuït, format per diversos processadors més petits connectats amb fibres òptiques curtes, on els qubits en repòs s’entrellaçarien de manera més fiable mitjançant la multiplexació amb qubits en moviment augmentant-ne la potència.

Pinces òptiques per manipular àtoms

El repte per a l'equip de Garching va ser carregar diversos àtoms dins d'un ressonador com a qubits en repòs i manipular-los individualment. Només si es coneix la posició dels àtoms es poden entrellaçar en paral·lel, amb un fotó cadascun, per assolir la multiplexació. Per tant, l'equip va desenvolupar una tècnica per inserir pinces òptiques al ressonador estret. "Els miralls estan separats per només mig mil·límetre aproximadament", explica Lukas Hartung, estudiant de doctorat i primer autor de l'article.

Les pinces òptiques consisteixen en raigs làser prims, prou potents per a capturar un àtom en el seu focus i moure'l amb precisió fins a la posició desitjada. Fent servir fins a sis d'aquestes pinces, l'equip va poder organitzar una quantitat corresponent d'àtoms de rubidi flotants a la cavitat per formar una xarxa ordenada de qubits. Atès que els àtoms poden romandre fàcilment al parany durant un minut (per a la física quàntica és una eternitat), podrien fàcilment entrellaçar-se amb un fotó cadascun. "Això funciona gairebé el cent per cent de les vegades", diu Distante, destacant l'avantatge clau d'aquesta tècnica: la distribució de l'entrellaçament funciona gairebé "deterministicament", és a dir, només prement un botó.

Escalable a molts més qubits

Per aconseguir-ho, l'equip va utilitzar un objectiu de lent de microscopi, col·locat amb precisió micromètrica damunt el ressonador, enfocant els feixos individuals de les pinces de llum a la cavitat estreta del mirall. Les pinces òptiques es generen mitjançant els anomenats deflectors acústics-òptics i, per tant, es poden controlar de manera individual. L'ajustament precís de les pinces òptiques requereix molta destresa. "Superar aquest repte va ser la pedra angular de l'èxit de l'experiment", resumeix Stephan Welte, que va participar en el desenvolupament de la tecnologia com a part de l'equip i ara és investigador a l'ETH Zurich.

L'experiment actual obre el camí perquè el mètode pugui ampliar-se a molts més qubits sense tenir pèrdues. L'equip estima que dins d'un ressonador d'aquest tipus podrien controlar-se fins a 200 àtoms, cosa que suposaria un gran pas endavant donat que aquests bits quàntics es poden controlar molt bé al ressonador. Fins i tot, com que la interfície alimenta el cent per cent dels fotons entrellaçats a la fibra òptica, és plausible imaginar una xarxa de molts ressonadors, cadascun amb 200 àtoms com a qubits en repòs, el que voldria dir aconseguir un poderós ordinador quàntic. Tot i que per ara aquest ordinador continua sent un somni de futur, amb les pinces òptiques l'equip de Garching té sota control una part significativa d'aquest futur.

Article citat: L. Hartung, M. Seubert, S. Welte, E. Distante, G. Rempe. A quantum-network register assembled with optical tweezers in an optical cavity. Science (2024)