Propagación segura de entrelazamiento con solo presionar un botón

El entrelazamiento, la "acción espeluznante a distancia" de Einstein, es hoy en día la herramienta para la ciencia de la información cuántica. Es el recurso esencial para los ordenadores cuánticos y para transmitir información cuántica en una futura red cuántica. Pero esta herramienta es muy sensible, ya que es un enorme desafío entrelazar bits cuánticos en reposo (qubits) con qubits en vuelo en forma de fotones "con solo presionar un botón". Ahora, un equipo dirigido por Gerhard Rempe, director del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching, Alemania, ha logrado hacer exactamente eso con átomos conectados en paralelo, intercalados entre dos espejos casi perfectos. Esta configuración garantiza una interacción fiable con fotones en forma de qubits en vuelo, una técnica de la que fue pionero Gerhard Rempe. Utilizando pinzas ópticas, el equipo pudo controlar individualmente hasta seis átomos y entrelazar cada uno con un fotón. Mediante una técnica de multiplexación, los científicos demostraron la generación de entrelazamiento átomo-fotón con casi un 100 por ciento de eficiencia, un logro innovador para distribuir el entrelazamiento a través de una red cuántica. El trabajo se publica hoy en la revista Science.

Las interfaces entre qubits en reposo y qubits en movimiento o en vuelo entran en juego siempre que es necesario transmitir información cuántica a largas distancias. "Un aspecto es la comunicación de información cuántica a largas distancias en un futuro Internet cuántico", explica Emanuele Distante, que supervisó el experimento como investigador postdoctoral y ahora es investigador en el ICFO de Barcelona: "El segundo aspecto es el objetivo de conectar muchos qubits en una red distribuida para crear un ordenador cuántico más poderoso. Ambas aplicaciones requieren interfaces eficientes entre qubits en reposo y qubits en movimiento. Esta es la razón por la que muchos grupos en todo el mundo están investigando de manera acelerada interfaces a nivel cuántico de para la interacción de materia-luz”.

Se están aplicando varios enfoques técnicos diferentes. Gerhard Rempe y su equipo de Garching llevan muchos años trabajando en un método que utiliza, como resonador óptico, átomos de rubidio ultrafríos capturados y atrapados entre dos espejos casi perfectos. La meta se centra en construir un Internet cuántico futuro. Este enfoque tiene una ventaja inherente porque permite que un átomo atrapado interactúe de una manera muy eficiente con un fotón, que rebota entre los dos espejos unas veinte mil veces como una pelota de ping-pong. Además, como uno de los dos espejos es ligeramente más transparente que el otro, el fotón sale en una dirección exactamente predeterminada. Esto significa que no se pierde, sino que se puede acoplar de forma fiable a una fibra óptica. Si este fotón se entrelaza con el átomo mediante un protocolo específico de pulsos de luz láser, este entrelazamiento se mantiene a medida que el fotón viaja.

Multiplexación para evitar pérdidas de transmisión

En 2012, el equipo de Garching logró entrelazar un átomo en un resonador con un segundo átomo en otro resonador mediante una "radio de fotones" a través de una fibra de vidrio de 60 metros de largo. Con la ayuda del fotón transmitido, formaron un objeto cuántico entrelazado extendido a partir de los dos átomos. Sin embargo, el fotón no debe perderse en la fibra de vidrio durante el camino, y éste es precisamente el problema con viajes de distancias más largas. La solución, al menos para distancias medias de unos pocos kilómetros, se llama "multiplexación o multiplexado". La multiplexación es un método estándar utilizado en la tecnología de la información clásica para hacer que la transmisión sea más robusta. Es como un enlace de radio a través de un área ruidosa: si envía la señal de radio a través de varios canales paralelos, aumenta la probabilidad de que llegue al receptor a través de al menos un canal.

"Sin la multiplexación ni siquiera nuestro Internet actual funcionaría", explica Distante: "Pero trasladar este método a los sistemas de información cuánticos supone un desafío especial". La multiplexación no sólo es interesante para una transmisión más segura a distancias más largas en un Internet cuántico futuro, sino también para una red cuántica local. Un ejemplo es el ordenador cuántico distribuido, que consta de varios procesadores más pequeños conectados mediante fibras ópticas cortas. Sus qubits en reposo podrían entrelazarse de manera más confiable mediante la multiplexación con qubits en movimiento para formar un ordenador cuántico distribuido y más poderoso.

Pinzas ópticas para manipular átomos

El desafío para el equipo de Garching fue cargar varios átomos dentro de un resonador como qubits en reposo y manipularlos individualmente. Sólo si se conoce la posición de los átomos se pueden entrelazar en paralelo, con un fotón cada uno, para lograr la multiplexación. Por tanto, el equipo desarrolló una técnica para insertar pinzas ópticas en el resonador estrecho. "Los espejos están separados sólo por medio milímetro aproximadamente", explica Lukas Hartung, estudiante de doctorado y primer autor del artículo de Science.

Las pinzas ópticas consisten en finos rayos láser que son lo suficientemente potentes como para capturar un átomo en su foco y moverlo con precisión a la posición deseada. Usando hasta seis de estas pinzas, el equipo pudo organizar una cantidad correspondiente de átomos de rubidio flotantes en la cavidad para formar una red ordenada de qubits. Dado que los átomos pueden permanecer fácilmente en la trampa durante un minuto (para la física cuántica es una eternidad), podrían fácilmente entrelazarse con un fotón cada uno. "Esto funciona casi el cien por ciento de las veces", dice Distante, destacando la ventaja clave de esta técnica: la distribución del entrelazamiento funciona casi "determinísticamente", es decir, con solo presionar un botón.

Escalable a muchos más qubits

Para lograrlo, el equipo utilizó un objetivo de lente de microscopio, colocado con precisión micrométrica encima del resonador, para enfocar los haces individuales de las pinzas de luz en la cavidad estrecha del espejo. Las pinzas ótpicas se generan mediante los llamados deflectores acústicos-ópticos y, por tanto, pueden controlarse de manera individual. El ajuste preciso de las pinzas ópticas requiere mucha destreza. "Superar este desafío fue la piedra angular del éxito del experimento", resume Stephan Welte, que participó en el desarrollo de la tecnología como parte del equipo y ahora es investigador en ETH Zurich.

El experimento actual da lugar a perspectivas muy prometedoras de que el método pueda ampliarse a muchos más qubits sin tener pérdidas: el equipo estima que dentro de un resonador de este tipo se podrían controlar hasta 200 átomos. Dado que estos bits cuánticos se pueden controlar muy bien en el resonador, esto sería un gran paso adelante. Y como la interfaz incluso alimenta el cien por cien de los fotones entrelazados en la fibra óptica, sería plausible e imaginable una red de muchos resonadores, cada uno con 200 átomos como qubits en reposo. Esto daría como resultado un poderoso ordenador cuántico. Sigue siendo un sueño de futuro. Pero con las pinzas ópticas, el equipo de Garching tiene ahora bajo control una parte significativa de este futuro.

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