Probando un prototipo de Internet cuántico en la ciudad de Nueva York durante medio mes

Para llevar las redes cuánticas al mercado, los ingenieros deben superar la fragilidad de los estados entrelazados en los cables de fibra óptica y garantizar una entrega eficiente de la señal. Ahora, los científicos de Qunnect Inc. han tomado medidas. En Brooklyn, Nueva York, un gran paso adelante es ejecutar una red de este tipo bajo las calles de la ciudad de Nueva York.

Si bien otros habían transmitido con éxito fotones entrelazados antes, había tanto ruido y deriva de polarización en el entorno de la fibra que el entrelazamiento ya no podía ocurrir, especialmente en una red estable a largo plazo.

«Aquí es donde entra en juego nuestro trabajo», afirmó Mehdi Namazi, cofundador y director científico de Qunnect. El diseño de la red, los métodos y los hallazgos del equipo son Publicado en PRX cuántico.

Para su red modelo, los investigadores de Qunnect utilizaron un circuito de fibra arrendado de 34 kilómetros al que llamaron anillo GothamQ. Utilizando fotones entrelazados por polarización, ejecutaron el bucle durante 15 días continuos, logrando un tiempo de ejecución del 99,84% y una precisión de compensación del 99% para pares de fotones entrelazados transmitidos a una velocidad de aproximadamente 20.000 por segundo. A medio millón de pares de fotones entrelazados por segundo, la precisión todavía se acercaba al 90%.

La polarización de un fotón es la dirección de su campo eléctrico. (Puede ser más fácil entender esto en Imagen ondulatoria de luz) Probablemente estés familiarizado con el fenómeno de las gafas de sol polarizadas, que son filtros que dejan pasar la luz de una dirección de polarización pero bloquean las otras direcciones, reduciendo así el deslumbramiento reflejado por el agua, la nieve y el cristal, por ejemplo.

Los fotones polarizados son útiles porque son fáciles de crear, fáciles de manipular (usando filtros polarizadores) y de medir.

Los fotones entrelazados por polarización se han utilizado en los últimos años para construir repetidores cuánticos a gran escala, computación cuántica distribuida y redes de sensores cuánticos distribuidos.

Entrelazamiento cuántico, tema Premio Nobel de Física 2022un extraño fenómeno cuántico en el que las partículas dentro de un estado cuántico tienen una correlación, a veces una correlación de largo alcance, de modo que medir una propiedad de una determina automáticamente las propiedades de otras partículas con las que está entrelazada.

En su diseño, un fotón infrarrojo con una longitud de onda de 1324 nm está entrelazado con un fotón infrarrojo cercano con una longitud de onda de 795 nm. Este último fotón corresponde en longitud de onda y ancho de banda a sistemas de átomos de rubidio, como los utilizados en memorias y procesadores cuánticos. Se ha descubierto que la deriva de la polarización depende tanto de la longitud de onda como del tiempo, lo que requiere que Qunnect diseñe y construya equipos para compensación activa en las mismas longitudes de onda.

Para generar estos pares de fotones dicroicos entrelazados, se enviaron haces de entrada acoplados de longitudes de onda específicas a través de una celda de vapor rica en rubidio-78, donde excitaron los átomos de rubidio dentro de la celda, causando que el electrón más externo se moviera dos veces, desde un orbital 5p a un Orbital 6s.

Desde este estado dos veces excitado, a veces se emite un fotón con una longitud de onda de 1324 nm, y la posterior desintegración del electrón produce otro fotón con una longitud de onda de 795 nm.

Los investigadores enviaron pares de fotones entrelazados de 1.324 nm en superposiciones cuánticas a través de la fibra, donde un estado es horizontal y el otro vertical, una configuración de dos qubits comúnmente conocida como estado de Bell. En tal superposición, pares de fotones de la mecánica cuántica se encuentran en ambos estados al mismo tiempo.

Sin embargo, en los cables ópticos, estos sistemas de fotones son más susceptibles a perturbaciones de su polarización debido a vibraciones, flexiones y fluctuaciones de presión y temperatura en el cable y pueden requerir una recalibración frecuente. Debido a que este tipo de perturbaciones pueden ser casi imposibles de detectar y aislar, y mucho menos mitigar, el equipo de Qunnect construyó dispositivos de Compensación Automatizada de Polarización (APC) para compensarlas electrónicamente.

Al enviar pares de fotones clásicos no entrelazados de 1.324 nm con polarizaciones conocidas a través de la fibra, pudieron medir o modificar en qué medida estaba sesgada su polarización. La desviación de la polarización se midió a cuatro distancias de transmisión: 0, 34, 69 y 102 kilómetros, enviando fotones clásicos cero, una, dos o tres veces alrededor del anillo urbano bajo las calles de Brooklyn y Queens. Luego utilizaron transmisores avanzados para corregir la polarización de los pares entrelazados.

El experimento del episodio GothamQ de Qunnect fue particularmente notable debido a su duración, la naturaleza no intervencionista del tiempo de ejecución y el porcentaje de tiempo de ejecución. Demostró, escribieron, “el progreso hacia una red de entrelazamiento práctica y totalmente automatizada” que sería necesaria para la Internet cuántica. «Desde que terminamos este trabajo, ya hemos instalado todas las piezas en los bastidores, para que puedan usarse en todas partes», dijo Namazi, un equipo compartido al que llaman Qu-Val.

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