Investigadores europeos han creado un dispositivo que permitirá conexiones cuánticas a Internet trabajando con fotones individuales y sincronización precisa, a una distancia de 50 km.

Las computadoras cuánticas podrían hacerse más poderosas extendiéndolas a través de una Internet cuántica, pero esto significa distribuir los efectos cuánticos más allá de los límites de una sola máquina. Los científicos dirigidos por Ben Lanyon de la Universidad de Innsbruck en Austria han compartido el entrelazamiento cuántico entre dos sistemas separados por 50 km, utilizando un dispositivo repetidor cuántico completo. Los componentes de un repetidor cuántico se han mostrado anteriormente, pero el equipo los integró por primera vez.

Las computadoras cuánticas funcionan preservando los efectos cuánticos, y la investigación cuántica en Internet tiene como objetivo distribuir estos efectos mediante el "entrelazamiento", un fenómeno en el que los sistemas cuánticos que están muy separados se entrelazan, por lo que medir uno afectará el estado del otro. El entrelazamiento distribuido efectivamente "teletransporta" información cuántica.

Los experimentos satelitales han comunicado información cuántica usando fotones en el espacio libre, pero la Internet cuántica debe usar fotones de longitud de onda de telecomunicaciones estándar a través de enlaces de fibra óptica. Para extender la distribución a lo largo de estas redes se requiere un repetidor, que puede intercambiar entrelazados, de modo que entre por una fibra y salga por la otra.

El equipo estableció el enredo en dos fibras de 25 km de forma independiente y utilizó qubits de iones atrapados para almacenar e intercambiar ese enredo, estableciendo un vínculo cuántico en toda la fibra de 50 km. En teoría, las cadenas de estos repetidores podrían transmitir el enredo a distancias mayores, dicen los investigadores en un artículo publicado en Physical Review Letters.

"Piezas de un nodo repetidor cuántico completo se han mostrado por separado antes, pero no todas se habían combinado", comentó Lanyon a IEEE Spectrum.

El nodo repetidor utilizó dos memorias cuánticas, proporcionadas por iones de calcio capturados en una trampa de iones dentro de un resonador óptico, según el comunicado de la Universidad. Cada uno de estos emitió un solo fotón, que permaneció enredado con el ion en la trampa, incluso mientras el fotón se convertía en luz de 1550 nm utilizada en comunicaciones de fibra óptica.

Los fotones entrelazados con las memorias cuánticas se enviaron a lo largo de dos cables separados de 25 km (que de hecho todavía estaban en sus carretes dentro del laboratorio de Innsbruck). Cuando el repetidor intercambió el enredo entre sus iones atrapados, enredó juntos a los dos fotones al final del cable de 50 km.

El sistema pudo convertir fotones individuales a la longitud de onda de las telecomunicaciones para transmitir el entrelazamiento. El repetidor cuántico se colocó exactamente a mitad de camino entre los extremos de un cable de 50 km. Los investigadores calcularon qué mejoras serían necesarias para distribuir el enredo en 800 km, la distancia entre Innsbruck y Viena.

"Para aprovechar al máximo el entrelazamiento y otros efectos cuánticos, las redes cuánticas intercambian señales al nivel de fotones individuales", comentó Michal Hajdušek de la Universidad Keio de Japón, en el sitio de Física de la Sociedad Estadounidense de Física. "Como resultado, la atenuación en la fibra es la principal fuente de error en estos sistemas. Sin embargo, la pérdida de fotones se puede remediar utilizando un conjunto de nodos de red intermedios, llamados repetidores cuánticos, que crean una conexión entrelazada directa entre nodos de red distantes".

Hajdušek elogió el logro del equipo al empalmar dos enlaces entrelazados independientes de 25 km de largo: "Esta distancia es del orden requerido por las redes cuánticas prácticas en el mundo real".

Y agregó que la inclusión de la memoria en el repetidor es vital: "Debido a la pérdida de fotones y otras ineficiencias en el hardware, la generación de entrelazamiento remoto es un proceso probabilístico. Requiere que se establezca una conexión de extremo a extremo solo si todo es corto". Los enlaces a distancia exitosos simultáneamente conducirían a una tasa de éxito general exponencialmente pequeña. Al almacenar el entrelazamiento de corta distancia, las memorias cuánticas permiten que los enlaces fallidos repitan sus intentos de establecer el entrelazamiento".

El equipo continuó demostrando que, de hecho, es posible compartir el enredo a lo largo de 50 km sin un repetidor, pero no funciona tan bien. El repetidor transmitió 9,2 fotones entrelazados por segundo, que se redujo a 6,7 ​​por segundo sin el repetidor. Esto puede sonar como una pequeña mejora sobre los 50 km, pero el equipo calculó que las tasas de comunicación sin un repetidor caen significativamente más allá de los 100 km, lo que hace que los repetidores sean necesarios.

"Sin un repetidor, la tasa de éxito se vuelve extremadamente pequeña para distancias superiores a 100 km", comentó Hajdušek.

Las comunicaciones cuánticas de más de 800 km requerirían 17 repetidores, concluyó el equipo. Usando el hardware actual, la tasa de fotones compartidos se reduciría diez veces, pero indicaron algunas mejoras realistas en el hardware que podrían ofrecer comunicaciones utilizables a estas distancias en un corto período de tiempo.

Sin embargo, crear una Internet cuántica completa requerirá más trabajo, advirtió Hajdušek: "Se deben tener en cuenta dos lecciones importantes aprendidas de una red clásica, Internet. Primero, un buen hardware por sí solo no es un camino suficiente para una comunicación global escalable, debe ir acompañado de una buena arquitectura de software. Y segundo, un buen software tarda mucho en madurar".