Algunos de los sistemas de comunicación más avanzados actualmente en desarrollo se basan en las propiedades de la ciencia cuántica para almacenar y transportar información. Sin embargo, los investigadores que diseñan sistemas de comunicación cuántica que dependen de la luz, en lugar de la corriente eléctrica, para transmitir información enfrentan un dilema:Los componentes ópticos que almacenan y procesan información cuántica generalmente requieren fotones de luz visible partículas de luz para operar, sin embargo, solo los fotones de infrarrojo cercano, con longitudes de onda aproximadamente 10 veces más largas, pueden transportar esa información a lo largo de kilómetros de fibras ópticas.
Ahora, los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST han desarrollado una nueva forma de resolver este problema. Por primera vez, el equipo creó pares cuánticamente correlacionados formados por un fotón visible y otro de infrarrojo cercano utilizandocomponentes ópticos basados en chips que pueden ser producidos en masa. Estos pares de fotones combinan lo mejor de ambos mundos: los socios de luz visible pueden interactuar con átomos atrapados, iones u otros sistemas que sirven como versiones cuánticas de la memoria de la computadora mientraslos miembros infrarrojos de cada pareja pueden propagarse a largas distancias a través de la fibra óptica.
El logro promete aumentar la capacidad de los circuitos basados en la luz para transmitir información de manera segura a lugares lejanos. Los investigadores del NIST, Xiyuan Lu, Kartik Srinivasan y sus colegas del NanoCenter de la Universidad de Maryland en College Park, demostraron la correlación cuántica, conocida como entrelazamiento, utilizando un par específico de fotones de luz visible e infrarrojo cercano. Sin embargo, los métodos de diseño de los investigadores se pueden aplicar fácilmente para crear muchos otros pares de luz visible / infrarrojo cercano adaptados a sistemas de interés específicos. Además, la miniaturaLos componentes ópticos que crearon los enredos se fabrican en grandes cantidades.
Lu, Srinivasan y sus colegas describieron recientemente su trabajo en Física de la naturaleza .
Una de las propiedades más contraintuitivas de la mecánica cuántica, el entrelazamiento cuántico ocurre cuando dos o más fotones u otras partículas se preparan de una manera que los conecta de manera tan intrínseca que se comportan como una unidad. Una medida que determina el estado cuántico de unode las partículas enredadas determina automáticamente el estado de la otra, incluso si las dos partículas se encuentran en lados opuestos del universo. El enredo se encuentra en el corazón de muchos esquemas de información cuántica, incluida la computación cuántica y el cifrado.
En muchas situaciones, los dos fotones que están enredados tienen longitudes de onda o colores similares. Pero los investigadores del NIST deliberadamente se propusieron crear parejas extrañas: enredos entre fotones cuyos colores son muy diferentes.
"Queríamos unir fotones de luz visible, que son buenos para almacenar información en sistemas atómicos, y fotones de telecomunicaciones, que están en el infrarrojo cercano y buenos para viajar a través de fibras ópticas con baja pérdida de señal", dijo Srinivasan.
Para hacer que los fotones sean adecuados para interactuar con la mayoría de los sistemas de almacenamiento de información cuántica, el equipo también necesitaba que la luz alcanzara un pico agudo en una longitud de onda particular en lugar de tener una distribución más amplia y difusa.
Para crear los pares enredados, el equipo construyó una "galería de susurros" óptica especialmente diseñada: un resonador de nitruro de silicio de tamaño nanométrico que dirige la luz alrededor de una pequeña pista de carreras, similar a la forma en que las ondas de sonido viajan sin obstáculos alrededor de una pared curva comola cúpula de la Catedral de San Pablo en Londres. En tales estructuras curvas, conocidas como galerías de susurros acústicos, una persona parada cerca de una parte de la pared escucha fácilmente un leve sonido que se origina en cualquier otra parte de la pared.
Cuando una longitud de onda de luz láser seleccionada fue dirigida hacia el resonador, surgieron pares entrelazados de fotones de luz visible e infrarrojo cercano. El tipo específico de entrelazamiento empleado en el experimento, conocido como entrelazamiento de energía de tiempo, vincula la energía delos pares de fotones con el momento en que se generan.
"Descubrimos cómo diseñar estos resonadores de galería susurrantes para producir grandes cantidades de los pares que queríamos, con muy poco ruido de fondo y otra luz extraña", dijo Lu. Los investigadores confirmaron que el enredo persistió incluso después de que los fotones de telecomunicaciones viajaran a través de ellosvarios kilómetros de fibra óptica.
En el futuro, al combinar dos de los pares entrelazados con dos memorias cuánticas, el entrelazamiento inherente a los pares de fotones puede transferirse a las memorias cuánticas. Esta técnica, conocida como intercambio de enredos, permite que los recuerdos se enreden entre síen una distancia mucho más larga de lo que normalmente sería posible.
"Nuestra contribución fue descubrir cómo hacer una fuente de luz cuántica con las propiedades correctas que podrían permitir ese enredo de larga distancia", dijo Srinivasan.
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Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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