O galego Darío Lago, na portada de “Nature” por un novo paso cara á internet cuántica

O investigador do ICFO asina un traballo que acadou unhas taxas 'récord' de entrelazamento entre memorias cuánticas

Darío Lago é doutorando no Institut de Ciències Fotòniques de Castelldefels. Imaxe: ICFO.
Darío Lago é doutorando no Institut de Ciències Fotòniques de Castelldefels. Imaxe: ICFO.

Xusto despois de que finalizase o confinamento por mor da pandemia da Covid-19, na primavera de 2020, un grupo de físicos preparou dous laboratorios, separados por 10 metros, no Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) de Castelldefells, preto de Barcelona. O experimento que querían desenvolver quedara paralizado polo estado de alarma, pero desde a casa, en remoto, aproveitaron para pulir con maior detalle o que querían demostrar, que non era pouco: conseguir o entrelazamento entre dúas memorias cuánticas remotas, almacenando, durante un máximo de 25 microsegundos, un fotón individual entre as dúas. O traballo aparece este mércores na portada da revista Nature, unha das principais publicacións científicas do mundo, e ten como primeiro asinante a Darío Lago Rivera, un científico de Culleredo graduado en Física pola USC e Máster en Fotónica pola Universitat Politécnica de Catalunya, que está finalizando a súa tese de doutoramento no ICFO.

Un paso máis preto da Internet cuántica

O fito achega, segundo explica Lago, a realidade de acadar unha Internet cuántica, isto é, un novo paradigma das telecomunicacións e a súa seguridade, que se basearía deste xeito nas propias leis da natureza. “Na actualidade, as comunicacións están protexidas por unha encriptación que é matemáticamente moi difícil de desentrañar, pero iso non quere dicir que alguén, cun algoritmo moi potente, poida desencriptalas. Pero existe unha alternativa que protexería esta comunicación coas leis da natureza”, expón o investigador.

Para explicar o funcionamento deste novo paradigma, desde o ICFO remóntanse ao desenvolvemento das redes de telecomunicacións actuais, a finais do pasado século: “Durante os anos 90, a enxeñería fixo avances moi significativos no campo das telecomunicacións que permitiron espallar a rede de comunicacións a distancias máis aló das cidades e áreas metropolitanas. Para acadar este fito usaron repetidores, os cales amplifican os sinais atenuados, permitíndolles viaxar distancias maiores sen mudar propiedades como son a intensidade ou a fidelidade. Agora, xunto cos satélites, é completamente normal estar no medio dunha montaña en Europa e falar cos teus seres queridos que viven na outra punta da Terra”, expoñen.

No camiño cara á Internet cuántica, as memorias cuánticas son un ingrediente esencial, xunto coas fontes de qúbits. Estes aparellos actúan como repetidores para operacións con datos, usando a superposición e o entrelazamento entre partículas; os fotóns individuais chegan cunhas propiedades moi concretas, as memorias almácenanos e transmítenos coas mesmas propiedades coas que chegan. Pero, para traballar con este sistema a nivel cuántico, o entrelazamento entre as memorias cuánticas ten que ser creado a través de grandes distancias e manterse coa mellor eficiencia posible.

O experimento

Despois de preparar durante meses o proceso, montando unha memoria cuántica nun cristal dopado con terras raras, idóneas para estes procesos grazas ás súas propiedades a temperaturas crioxénicas, acometeuse o experimento. O equipo do ICFO colleu dúas fontes de parellas de fotóns individuais correlacionados. En cada parella, un dos fotóns, coñecido como idler, está a 1436nm (lonxitude de onda das telecomunicacións), e o outro, chamado sinal, está a unha lonxitude de onda de 606nm. Enviáronse os fotóns individuais sinal a unha memoria cuántica, formada por millóns de átomos distribuídos ao chou dentro dun cristal e almacenáronse grazas a un protocolo chamado peite de frecuencias atómico.

Ao mesmo tempo, a través dunha fibra óptica, enviáronse os fotóns idler (tamén coñecidos como fotóns mensaxeiros) cara un dispositivo chamado divisor de feixe onde a información sobre a orixe destes fotóns foi completamente eliminada.

Isto é relevante porque a meirande parte dos estudos feitos ata a data que experimentaron con entrelazamento e memorias usaron fotóns mensaxeiros para saber se o entrelazamento foi creado con éxito ou non. Un fotón mensaxeiro é como unha pomba mensaxeira, de tal xeito que os científicos poden saber coa súa chegada que o entrelazamento entre as memorias cuánticas foi establecido. Cada vez que isto acontece, os intentos de crear entrelazamento paran e este é almacenado nas memorias antes de ser analizado.

Cristal dopado con elementos de terras raras (Praseodimio), utilizado como memoria cuántica. Foto: ICFO.
Cristal dopado con elementos de terras raras (Praseodimio), utilizado como memoria cuántica. Foto: ICFO.

No caso do experimento do ICFO, o uso dun fotón mensaxeiro con lonxitudes de onda no rango das telecomunicacións, confirmando que o entrelazamento que estaba a ser producido podía establecerse cun fotón compatible coas redes de telecomunicacións xa existentes, supón un fito moi importante xa que lle permite ao entrelazamento ser creado entre distancias moi grandes e abre o camiño a integrar este tipo de tecnoloxías cuánticas nas xa existentes infraestruturas de redes clásicas.

Samuele Grandi, investigador posdoutoral e co-primeiro autor do estudo comenta: “Eliminamos toda propiedade que nos puidera dicir de onde viñan os fotóns idler, sexa a fonte 1 ou 2, e fixemos isto porque non queriamos saber en que memoria cuántica fora almacenado o fotón sinal”. Ao eliminaren esas propiedades, o fotón sinal podería ter sido almacenado en calquera das memorias cuánticas, o cal significa que se acababa de formar entrelazamento entre elas.

De feito, cada vez que os científicos vían nos seus monitores a detección dun fotón idler, podían confirmar e verificar que había entrelazamento. Este entrelazamento consistía nun fotón sinal nun estado de superposición entre dúas memorias cuánticas, onde fora almacenado, por un tempo de ata 25 microsegundos, en forma de excitación compartida entre decenas de millóns de átomos.

Darío Lago supervisa o experimento no laboratorio. Foto: ICFO.
Darío Lago supervisa o experimento no laboratorio. Foto: ICFO.

Tal e como Samuele e Darío explican, “o máis curioso deste experimento é que non é posible saber se o fotón foi almacenado na memoria cuántica do laboratorio 1 ou do laboratorio 2, que estaban a máis de 10 metros de distancia. A pesar de que esta era a característica principal do noso experimento e máis ou menos contabamos con ela, os resultados no laboratorio son, de todos os xeitos, anti-intuitivos. E aínda máis tolo é pensar que eramos quen de controlar o que acontecía!”

Varios fitos combinados

“Ata agora, moitas cousas das que nos acabamos de facer conseguíranse de forma individual: entrelazáronse memorias cuánticas, almacenáronse fotóns durante moito tempo, con alta eficiencia e altos ratios, pero todas estas cousas xuntas non se conseguiran. E no noso caso, entrelazamos as memorias dunha forma que é compatible coa rede de telecomunicacións que existe agora mesmo”, destaca Lago Rivera. Este é, por tanto, o avance relevante do artigo do ICFO respecto a investigacións anteriores: “O que fai único este experimento é que a nosa técnica alcanzou taxas de entrelazamento moi altas e ademais pode ser usada en distancias maiores”, engade o físico galego.

A mecánica cuántica é unha disciplina anti-intuitiva para as persoas non coñecedoras desta cuestión. “Durante a nosa formación ensínannos que a física clásica e a cuántica non se levan ben. Ti iso sábelo porque aprendes a teoría, pero de aí a chegar ao laboratorio, e medir, experimentar e ver os efectos do entrelazamento e da física cuántica, e caer na conta de realmente o que pasa é anti-intuitivo, poder controlalo, porque é un experimento que ti mesmo deseñaches… É unha pasada“, resume Darío Lago.

Infografía que explica o experimento. Imaxe cedida por Darío Lago.
Infografía que explica o experimento. Imaxe cedida por Darío Lago.

A clave da multiplexaxe

Segundo explica Darío, a multiplexaxe é a capacidade dun sistema de mandar varias mensaxes á vez a través dunha única canle de transmisión. En telecomunicacións clásicas é unha ferramenta moi usada para mandar datos a través da internet. Nos repetidores cuánticos, esta técnica é un pouco máis complicada.

Coas memorias cuánticas estándar, antes de intentar crear entrelazamento unha segunda vez, habería que agardar pola mensaxe que indica se o entrelazamento foi creado con éxito. Pero ao usar o protocolo do peite de frecuencias atómico, que permite multiplexar, os investigadores puideron almacenar nas memorias cuánticas o entrelazamento ao longo de varios tempos distintos, sen ter que agardar polo sinal mensaxeiro antes de xerar a seguinte parella entrelazada.  Esta condición, coñecida como “multiplexaxe temporal” é unha característica clave que representa un enorme incremento na velocidade do sistema e leva a un gran aumento na taxa de entrelazamento final.

Portada de Nature que recolle o traballo do ICFO.
Portada de Nature que recolle o traballo do ICFO.

Futuro

Os seguintes pasos que se marca o equipo do ICFO son igualmente prometedores, sacando o experimento fóra do laboratorio, enlazar varios nodos xuntos e distribuír este entrelazamento en distancias moito máis grandes. Xa traballan para conseguir o primeiro enlace cuántico de 35 quilómetros, cunha fibra óptica construída entre Castelldefels e o centro de Barcelona.

“É unha idea xa antiga, que tivemos en 2007, e que quixemos facer desde hai moito tempo; de feito non pensei que tiveramos éxito tan rápido, cría que tardariamos moito máis”, explica  Hugues de Riedmatten, líder do grupo do ICFO que publica este traballo. Este traballo, segundo De Riedmaten, “será moi importante para construír repetidores cuánticos, dispositivos que se poden usar para distribuír información cuántica a través de distancias moi longas”.

Tal e como engade Samuele Grandi,  “nun futuro próximo, unha das primeiras aplicacións destes avances serán as simulacións cuánticas para o desenvolvemento de novos fármacos; e unha vez se fixeran as siumulacións haberá que mandalas a outro centro que realice computacións e algoritmos cuánticos, que só poden facerse cunha rede cuántica”. Entre outras aplicacións, Darío Lago pon como exemplo o uso da rede cuántica para compartir informacións entre hospitais, bancos ou organizacións gobernamentais, co obxectivo de protexer as comunicacións que se realicen.


Referencia: Telecom-heralded entanglement between multimode solid-state quantum memories (Publicado en Nature).

1 comentario

DEIXAR UNHA RESPOSTA

Please enter your comment!
POLÍTICA DE COMENTARIOS:

GCiencia non publicará comentarios ofensivos, que non sexan respectuosos ou que conteñan expresións discriminatorias, difamatorias ou contrarias á lexislación vixente.

GCiencia no publicará comentarios ofensivos, que no sean respetuosos o que contentan expresiones discriminatorias, difamatorias o contrarias a la ley existente.

Please enter your name here

Este sitio emprega Akismet para reducir o spam. Aprende como se procesan os datos dos teus comentarios.