MATERIA Y LUZ
Comunicaciones cuánticas en la red metropolitana de Barcelona
Investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) han demostrado la transmisión de entrelazamiento entre materia y luz a lo largo de decenas de kilómetros a través de fibra óptica en la capital catalana.
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A medida que se intensifica el desarrollo de los ordenadores cuánticos, existe un programa paralelo para lograr el análogo cuántico del internet clásico. La nueva red cuántica proporcionará un nivel de ciberseguridad ultrasegura y el espacio a través de la cual se podrán conectar diferentes ordenadores cuánticos, tal y como se conectan los procesadores clásicos en computación en la nube.
Como opción natural para la futura infraestructura del internet cuántico, la red de telecomunicaciones existente proporciona un canal casi ubicuo a través del cual la luz puede viajar distancias muy grandes con una absorción limitada. Debido a su baja absorción y alta velocidad, la luz es una gran candidata como portadora de información, ya sea clásica (bits) o cuántica (cúbits).
La luz láser se usa fácilmente para transferir información clásica en internet, pero la comunicación cuántica requiere medios mucho más sofisticados. Los bits cuánticos también están codificados en fotones, pero esta codificación no se puede amplificar por las reglas de la mecánica cuántica.
Por tanto, los amplificadores utilizados en las redes clásicas no se pueden utilizar para bits cuánticos como amplificadores. Esto significa que se necesita una tecnología radicalmente nueva para construir una versión cuántica de internet: el repetidor cuántico.
Así como los amplificadores de luz garantizan la conectividad entre ubicaciones distantes, los repetidores cuánticos permitirán la comunicación a larga distancia distribuyendo el entrelazamiento, uno de los componentes principales de la comunicación cuántica que puede transferir información mediante, por ejemplo, teletransportación cuántica entre dos nodos.
Una forma de establecer el entrelazamiento remoto entre esos dos nodos es mediante la transmisión directa: se puede generar un par de fotones entrelazados, uno de los cuales permanece quieto en el lugar mientras el otro viaja a la otra ubicación. Este segundo fotón viajero tiene que ser compatible con la transmisión por fibra óptica, mientras que el primero debe almacenarse en una memoria cuántica, proceso que se conoce como entrelazamiento entre luz y materia.
La conversión descendente espontánea
Ahora bien, para acoplar varios nodos y lograr un entrelazamiento a larga distancia entre memorias cuánticas, se necesita un conjunto de repetidores cuánticos. Una arquitectura prometedora para estos nodos repetidores cuánticos se basa en buscar acoplar la generación espontánea de unos pares de fotones –un proceso conocido como conversión descendente espontánea (SPDC)– con una memoria cuántica externa.
Este es el enfoque que han adoptado los investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) en un estudio, publicado en la revista Optica Quantum, donde demuestran la transmisión de entrelazamiento entre materia y luz a lo largo de decenas de kilómetros a través de fibra óptica.
En su experimento, lograron generar pares de fotones, uno de los cuales se emite en la longitud de onda de telecomunicaciones de 1436 nanómetros, mientras que el otro se emite en 606 nm, compatible con las memorias cuánticas de estado sólido, construidas con cristales especiales dopados con átomos de tierras raras.
Luego utilizaron la red metropolitana de fibra óptica de Barcelona, conectando su sistema a dos fibras que iban desde la sede del ICFO en Castelldefels hasta el Centro de Telecomunicaciones de Cataluña (CTTI) en Hospitalet de Llobregat. Al conectar ambos centros (ida y vuelta), crearon un anillo de 50 km, enviando los fotones hasta el centro de la ciudad y de regreso al ICFO.
Con esto, demostraron que, después de un viaje completo de 50 km, la luz generada en el laboratorio mantenía sus características cuánticas, demostrando que los cúbits fotónicos mantienen lo que se llama "coherencia" al recorrer decenas de kilómetros en una fibra óptica, incluso en área metropolitana.
Verificación del entrelazamiento
Sin embargo, la comunicación cuántica requiere utilizar y verificar el entrelazamiento entre ubicaciones remotas, donde los fotones entrelazados se detectan en ubicaciones bien separadas en el espacio y el tiempo. Teniendo esto en cuenta, los autores ampliaron su red con un nuevo nodo, esta vez ubicado en el edificio de la fundación i2CAT, a unos 44 km del ICFO a través de la red local de fibra óptica y 17 km en línea recta.
En i2CAT instalaron un detector de telecomunicaciones para medir la llegada de los fotones de 1436 nm por una de las fibras, mientras que la otra estaba conectada a un transductor. Cuando el detector detectaba que un fotón había llegado, la señal eléctrica generada del detector se convertía nuevamente en luz gracias al transductor y se enviaba a través de la segunda fibra óptica. De este modo, la información pudo transmitirse al ICFO con gran precisión, aunque el fotón de 1436nm se detectó a 17 km de distancia.
El experimento validó así el sistema utilizado para generar entrelazamiento entre materia y luz y ha demostrado ser uno de los candidatos pioneros para el desarrollo de un nodo-repetidor cuántico, la tecnología que permite la comunicación cuántica a larga distancia.
Ya se han realizado demostraciones de prueba de principio en el laboratorio y el grupo ahora está trabajando para mejorar el rendimiento tanto de la memoria como de la fuente generadora de pares de fotones.
Por otra parte, los investigadores del ICFO estan colaborando de manera activa con la empresa Xarxa obierta de Catalunya (del grupo Cellnex) en la puesta en marcha de un nuevo laboratorio en la torre de Collserola, en el contexto de los proyectos QNetworks y EuroQCI España, para llevar a cabo la realización de un estado entrelazado entre memorias cuánticas remotas.
La creación de una red troncal de larga distancia para la distribución del entrelazamiento entre memorias cuánticas es también uno de los principales objetivos del Quantum Internet Alliance (QIA), el proyecto europeo líder en la realización del internet cuántico, proyecto en el cual ICFO es un socio principal.
Los resultados de este estudio, principalmente "la transmisión del entrelazamiento entre materia y luz a través de fibras ópticas ya desplegadas en un área metropolitana, son el paso inicial hacia la realización de un internet cuántico completo, con nuestra fuente de fotones y nuestro nodo, incluyendo la memoria cuántica, como piezas esenciales en esta red", apunta Samuele Grandi, investigador del ICFO y coprimer autor del estudio.
Como concluye el profesor ICREA del ICFO Hugues de Riedmatten: "El entrelazamiento de materia-luz es un recurso clave para la comunicación cuántica y se demostró muchas veces en el laboratorio. Comprobarlo en la red de fibra instalada metropolitana es un primer gran paso para conseguir llevar a cabo pruebas de la tecnología de repetidores cuánticos en el área de Barcelona, preparando el terreno para redes de larga distancia basadas en fibra óptica".
Referencia:
Jelena V. Rakonjac et al. "Transmission of Light-Matter Entanglement over a Metropolitan Network". Optica Quantum, 2023
Proyecto cofinanciado por la Generalitat de Cataluña (Departmento de Politícas Digitales por medio de los programas QInfinity, Qollserola y QuantumCAT), el proyecto europeo Quantum Internet Alliance y los programas nacionales Q-networks, EuroQCI-Spain y el Plan Complementario de Comunicaciones Cuánticas.
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