Investigadores de la Universidad de Chicago lograron aumentar la coherencia cuántica de cristales de tierras raras, permitiendo así que la comunicación cuántica alcance distancias continentales.
Los computadores cuánticos han demostrado su capacidad para realizar cálculos a velocidades asombrosas, pero conectar estos dispositivos a largas distancias ha sido uno de los principales obstáculos para la construcción de redes cuánticas confiables. Hasta hace poco, dos computadoras cuánticas solo podían enlazarse a través de un cable de fibra óptica en distancias de pocos kilómetros. Esta limitación significaba que un sistema en el campus de la Universidad de Chicago no podía comunicarse con otro en la Willis Tower, a pesar de estar ubicados en la misma ciudad.
Un nuevo estudio, publicado el 6 de noviembre en Nature Communications por el profesor asistente Tian Zhong de la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago, sugiere que esta barrera puede ser superada drásticamente. El trabajo del equipo de Zhong indica que las conexiones cuánticas podrían, en teoría, extenderse hasta 2,000 km.
Con este método, la computadora cuántica de la Universidad de Chicago, que antes tenía dificultades para alcanzar la Willis Tower, podría conectarse con un dispositivo ubicado en las afueras de Salt Lake City, Utah.
«Por primera vez, la tecnología para construir un internet cuántico a escala global está al alcance», afirmó Zhong, quien recientemente recibió el prestigioso Premio Sturge por esta investigación.
Importancia de la coherencia cuántica
Para crear redes cuánticas de alto rendimiento, los investigadores deben entrelazar átomos y mantener ese entrelazamiento mientras las señales viajan a través de los cables de fibra. Cuanto mayor sea el tiempo de coherencia de esos átomos entrelazados, más lejos podrán estar las computadoras cuánticas conectadas.
En el nuevo estudio, el equipo de Zhong logró aumentar el tiempo de coherencia de los átomos de erbium de 0.1 milisegundos a más de 10 milisegundos. En un experimento, alcanzaron 24 milisegundos de coherencia. En condiciones ideales, esta mejora podría permitir la comunicación entre computadoras cuánticas separadas por aproximadamente 4,000 km, la distancia entre la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker y Ocaña, Colombia.
Construyendo los mismos materiales de una nueva manera
El equipo no cambió a materiales desconocidos o exóticos. En cambio, reimaginó cómo se construyeron los materiales. Producen los cristales dopados con tierras raras necesarios para el entrelazamiento cuántico utilizando un método llamado epitaxia de haz molecular (MBE), en lugar del método estándar de Czochralski.
«La forma tradicional de hacer este material es esencialmente un caldero», explicó Zhong, refiriéndose al enfoque de Czochralski. «Se introduce la proporción correcta de ingredientes y luego se derrite todo. Se calienta a más de 2,000 grados Celsius y se enfría lentamente para formar un cristal de material».
Después, los investigadores tallan el cristal enfriado químicamente para darle forma a un componente utilizable. Zhong compara esto con un escultor que talla mármol hasta que emerge la forma final.
La MBE se basa en una idea muy diferente. Se asemeja a la impresión 3D, pero a escala atómica. El proceso deposita el cristal en capas extremadamente delgadas, formando eventualmente la estructura exacta necesaria para el dispositivo.
«Comenzamos desde cero y luego ensamblamos este dispositivo átomo por átomo», dijo Zhong. «La calidad o pureza de este material es tan alta que las propiedades de coherencia cuántica de estos átomos se vuelven excepcionales».
Aunque la MBE se ha utilizado en otras áreas de la ciencia de materiales, no se había aplicado previamente a este tipo de material dopado con tierras raras. Para este proyecto, Zhong colaboró con el especialista en síntesis de materiales Shuolong Yang para adaptar la MBE a sus necesidades.
El profesor Hugues de Riedmatten del Instituto de Ciencias Fotónicas, quien no participó en el estudio, describió los resultados como un paso importante hacia adelante. «El enfoque demostrado en este artículo es altamente innovador», afirmó. «Muestra que un enfoque de nanofabricación controlado desde abajo puede llevar a la realización de qubits de un solo ion de tierras raras con excelentes propiedades de coherencia óptica y de espín, lo que lleva a una interfaz de espín-fotón de larga duración con emisión en longitud de onda de telecomunicaciones, todo en una arquitectura de dispositivo compatible con fibra. Este es un avance significativo que ofrece una vía escalable interesante para la producción de muchos qubits conectables de manera controlada».
Preparándose para pruebas en el mundo real
La próxima fase del proyecto es determinar si los tiempos de coherencia mejorados pueden, de hecho, soportar la comunicación cuántica a larga distancia fuera de los modelos teóricos.
«Antes de desplegar fibra desde, digamos, Chicago a Nueva York, vamos a probarlo dentro de mi laboratorio», dijo Zhong.
El equipo planea enlazar dos qubits alojados en refrigeradores de dilución separados dentro del laboratorio de Zhong utilizando 1,000 kilómetros de fibra enrollada. Este paso les ayudará a verificar que el sistema se comporta como se espera antes de pasar a escalas más grandes.
«Ahora estamos construyendo el tercer refrigerador en mi laboratorio. Cuando todo esté junto, eso formará una red local, y primero realizaremos experimentos localmente en mi laboratorio para simular cómo será una futura red de larga distancia», concluyó Zhong. «Todo esto es parte del gran objetivo de crear un verdadero internet cuántico, y estamos logrando un hito más hacia eso».
Fuente: Cadena3.com
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