Crean el primer modem cuántico

Una nueva tecnología convierte la información cuántica del formato utilizado por los ordenadores cuánticos al formato necesario para la comunicación cuántica. Se vale de los átomos de rubidio para conseguir fotones ópticos con información obtenida de fotones de microondas.

Investigadores de la Universidad de Chicago han descubierto una forma de "traducir" la información cuántica entre diferentes tipos de tecnologías cuánticas, con implicaciones significativas para la computación cuántica, la comunicación y las redes.

La investigación, publicada en la revista Nature, representa una nueva forma de convertir la información cuántica del formato utilizado por las computadoras cuánticas al formato necesario para la comunicación cuántica.

Los fotones, partículas de luz, son esenciales para las tecnologías de la información cuántica, pero las diferentes tecnologías los usan en diferentes frecuencias.

Fotones ópticos

Por ejemplo, algunas de las tecnologías de computación cuántica más comunes se basan en cúbits superconductores, como los que utilizan los gigantes tecnológicos Google e IBM. Estos cúbits (o bits cuánticos) almacenan información cuántica en fotones que se mueven a frecuencias de microondas.

Pero si se desea construir una red cuántica o conectar computadoras cuánticas, no se pueden enviar fotones de microondas porque su control sobre la información cuántica es demasiado débil para sobrevivir al viaje.

La solución es transferir la información cuántica a un fotón de mayor frecuencia, llamado fotón óptico, que es mucho más resistente al ruido ambiental.

Pero la información no se puede transferir directamente de fotón a fotón; para ello necesitamos materia intermediaria.

Jugando con átomos

Algunos experimentos diseñan dispositivos de estado sólido para este propósito, pero el experimento de esta investigación, de la que es autor principal Aishwarya Kumar, del Instituto James Franck de la Universidad de Chicago, apunta a algo más fundamental: los átomos.

A los electrones en los átomos solo se les permite tener ciertas cantidades específicas de energía, llamadas niveles de energía.

Si un electrón se encuentra en un nivel de energía más bajo, puede excitarse a un nivel de energía más alto al golpearlo con un fotón cuya energía coincida exactamente con la diferencia entre el nivel más alto y el más bajo.

De manera similar, cuando se obliga a un electrón a caer a un nivel de energía más bajo, el átomo emite un fotón con una energía que coincide con la diferencia de energía entre los niveles.

Niveles de energía de rubidio

Los átomos de rubidio tienen dos brechas en sus niveles que la tecnología de Kumar explota: una que es exactamente igual a la energía de un fotón de microondas y otra que es exactamente igual a la energía de un fotón óptico.

Mediante el uso de láseres para cambiar las energías de los electrones del átomo hacia arriba y hacia abajo, la tecnología permite que el átomo absorba un fotón de microondas con información cuántica y luego emita un fotón óptico con esa información cuántica. Esta traducción entre diferentes modos de información cuántica se llama "transducción".

El uso efectivo de átomos para este propósito es posible gracias al importante progreso que los científicos han logrado en la manipulación de objetos tan pequeños.

En ambos sentidos

La tecnología desarrollada en este estudio funciona en ambos sentidos: puede transferir información cuántica de fotones de microondas a fotones ópticos y viceversa.

Por lo tanto, puede estar en cualquier lado de una conexión de larga distancia entre dos computadoras cuánticas superconductoras y servir como un componente fundamental para una Internet cuántica.

Pero Kumar cree que puede haber muchas más aplicaciones para esta tecnología, además de las redes cuánticas.

Su capacidad central es entrelazar fuertemente átomos y fotones, una tarea esencial y difícil en muchas tecnologías cuánticas diferentes en todo este campo de investigación.

Referencia

Quantum-enabled millimetre wave to optical transduction using neutral atoms. Aishwarya Kumar et al. Nature, volume 615, pages 614–619 (2023). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-05740-2