• Imprimeix

Butlletí RECERCAT
Investigadors de l’ICFO aconsegueixen construir una xarxa de transmissió d’informació quàntica híbrida

Investigadors de l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) han aconseguit la primera demostració d’un enllaç simple en una xarxa d’informació quàntica híbrida utilitzant nodes quàntics de diferent naturalesa —un núvol fred d’àtoms i un cristall alterat—, i fent servir un sol fotó com a portador d’informació. L’estudi mostra que és possible construir una xarxa amb elements heterogenis, totalment compatible amb la infraestructura actual de telecomunicacions de fibra òptica, per comunicar i transmetre informació quàntica entre dos tipus de nodes diferents, ubicats en diferents laboratoris.

31/01/2018 09:01
R134_CENT_xarxa quantica hibrida

Investigadors manipulant el set-up experimental / ICFO

Estudis anteriors havien aconseguit transferències segures i fiables d’informació quàntica entre nodes «idèntics», però aquesta és la primera vegada que això s’aconsegueix amb una xarxa de nodes «híbrids».

Una xarxa d’informació quàntica està formada tant per nodes quàntics, que emmagatzemen i processen informació —constituïts per sistemes de matèria com gasos atòmics freds o sòlids alterats, entre d’altres—, com per partícules encarregades de transferir la informació, generalment fotons. Si bé els fotons semblen ser portadors perfectes d’informació, encara existeix certa incertesa sobre quin sistema de matèria es podria utilitzar com a node de la xarxa, ja que cada sistema proporciona diferents funcionalitats. Així doncs, científics d’aquest camp han considerat la possibilitat d’implementar una xarxa híbrida, buscant combinar les millors capacitats de diferents sistemes de materials.

Els investigadors de l’ICFO han trobat una solució per fer funcionar una xarxa quàntica híbrida i resoldre el repte d’una transferència segura i fiable dels estats quàntics entre diferents nodes quàntics a través de fotons individuals. A més de fer-ho dins un entorn lliure de soroll, un fotó individual necessita interactuar fortament amb els nodes heterogenis o sistemes de matèria, que generalment funcionen a diferents longituds d’ona i amples de banda.

En el seu estudi, els investigadors van utilitzar dos nodes quàntics molt diferents en naturalesa: d’una banda, el node emissor estava constituït per un núvol d’àtoms de rubidi refredat per làser, i, d’una altra banda, el node receptor era un cristall alterat amb ions de praseodimi. Del gas fred, van generar un sol fotó amb un ample de banda específic molt estret i una longitud d’ona de 780 nm. Després van convertir el fotó a la longitud d’ona de la telecomunicació de 1.552 nm per demostrar que aquesta xarxa podria ser completament compatible amb el rang actual de la banda C de telecomunicacions. Posteriorment, el van enviar d’un laboratori a un altre a través de la fibra òptica en forma d’un time-bin qbit fotònic. Un cop al segon laboratori, la longitud d’ona del fotó es va convertir a 606 nm per interactuar correctament i transferir l’estat quàntic al node del cristall alterat receptor. Després de la interacció amb el cristall, l’estat quàntic del fotó es va emmagatzemar en el cristall durant aproximadament 2,5 microsegons i després es va recuperar amb una fidelitat molt alta.

Els resultats de l’estudi han demostrat que dos sistemes quàntics molt diferents poden estar connectats i comunicar-se entre si per mitjà d’un sol fotó. Poder connectar nodes quàntics amb funcionalitats i capacitats molt diferents i transmetre bits quàntics entre ells per mitjà de fotons individuals representa una fita important en el desenvolupament de xarxes quàntiques híbrides. Ser capaços de realitzar la conversió dels qbits fotònics a la longitud d’ona de la banda C de telecomunicacions mostra que aquests sistemes serien completament compatibles amb les xarxes de telecomunicacions actuals.

La xarxa d’informació clàssica, més ben coneguda com World Wide Web, va ser desenvolupada durant els anys vuitanta. La informació que flueix a través de la xarxa es realitza mitjançant bits, es processa i modula per circuits i xips electrònics i es transmet a través de la xarxa per mitjà de polsos de llum dins de fibres òptiques, on hi ha una mínima pèrdua de senyal.

En lloc d’utilitzar els bits clàssics, les xarxes d’informació quàntica processen i emmagatzemen informació quàntica a través de bits quàntics o qbits. Mentre que els bits poden ser 0s o 1s, els qbits poden tenir aquest dos valors o estar en qualsevol superposició entre aquests dos estats. En una xarxa quàntica, els qbits són generats i processats per sistemes de matèria quàntica, per exemple, gasos atòmics freds, sòlids alterats o altres sistemes. A diferència de les xarxes clàssiques, la informació quàntica es transfereix entre els nodes utilitzant fotons individuals en lloc de polsos forts de llum.

Les xarxes d’informació quàntica (constituïdes per nodes quàntics de matèria i canals de comunicació quàntica) obriran una nova via de tecnologies disruptives i, així, permetran aplicacions com la transmissió de dades perfectament segura, el processament millorat de dades a través de computació quàntica distribuïda o aplicacions avançades de sincronització de rellotges, entre d’altres.

Aquesta recerca ha estat realitzada per Nicolas Maring, Pau Farrera, Kutlu Kutluer, Margherita Mazzera i Georg Heinze, dirigits pel professor ICREA Hugues de Riedmatten.

 

Nicolas Maring et al., Photonic quantum state transfer between a cold atomic gas and a crystal,
Nature, 551, 485–488 (2017). DOI:10.1038/nature24468.