El amanecer de las redes cuánticas de estado sólido

Configuración experimental de interferencia cuántica entre dos fuentes independientes de fotón único QD de estado sólido separadas por fibra de 302 km. DM: espejo dicromático, LP: paso largo, BP: paso de banda, BS: divisor de haz, SNSPD: detector de fotón único de nanocable superconductor, HWP: placa de media onda, QWP: placa de cuarto de onda, PBS: divisor de haz de polarización. Crédito: Fotónica avanzada (2022). DOI: 10.1117/1.AP.4.6.066003

El Premio Nobel de Física de este año celebró el interés fundamental del entrelazamiento cuántico y también imaginó las posibles aplicaciones en “la segunda revolución cuántica”, una nueva era en la que podemos manipular la rareza de la mecánica cuántica, incluida la superposición cuántica y el entrelazamiento. Una red cuántica a gran escala y totalmente funcional es el santo grial de las ciencias de la información cuánticas. Abrirá una nueva frontera de la física, con nuevas posibilidades para la computación cuántica, la comunicación y la metrología.

Uno de los desafíos más importantes es extender la distancia de la comunicación cuántica a una escala útil en la práctica. A diferencia de las señales clásicas que pueden amplificarse sin ruido, los estados cuánticos en superposición no pueden amplificarse porque no pueden clonarse perfectamente. Por lo tanto, una red cuántica de alto rendimiento requiere no solo canales cuánticos de pérdida ultrabaja y memoria cuántica, sino también fuentes de luz cuántica de alto rendimiento. Ha habido un progreso reciente emocionante en las comunicaciones cuánticas basadas en satélites y los repetidores cuánticos, pero la falta de fuentes de fotones individuales adecuadas ha obstaculizado los avances.

¿Qué se requiere de una fuente de fotón único para aplicaciones de redes cuánticas? Primero, debe emitir un (solo uno) fotón a la vez. En segundo lugar, para lograr el brillo, las fuentes de un solo fotón deben tener una alta eficiencia del sistema y una alta tasa de repetición. En tercer lugar, para aplicaciones como la teletransportación cuántica que requieren la interferencia con fotones independientes, los fotones individuales deberían ser indistinguibles. Los requisitos adicionales incluyen una plataforma escalable, ancho de línea ajustable y de banda estrecha (favorable para la sincronización temporal) e interconectividad con qubits de materia.

Una fuente prometedora es puntos cuánticos (QD), partículas semiconductoras de unos pocos nanómetros. Sin embargo, en las últimas dos décadas, la visibilidad de la interferencia cuántica entre QD independientes rara vez ha superado el límite clásico del 50 % y las distancias se han limitado a unos pocos metros o kilómetros.

Como se informó en Fotónica avanzada, un equipo internacional de investigadores ha logrado una interferencia cuántica de alta visibilidad entre dos QD independientes conectados con fibras ópticas de ~300 km. Informan fuentes de fotones individuales eficientes e indistinguibles con ruido ultra bajo, sintonizable fotón único conversión de frecuencia y transmisión de fibra larga de baja dispersión.

Los fotones individuales se generan a partir de QD individuales impulsados ​​por resonancia acoplados de forma determinista a microcavidades. Las conversiones de frecuencia cuántica se utilizan para eliminar la falta de homogeneidad QD y cambiar la longitud de onda de emisión a la banda de telecomunicaciones. La visibilidad de la interferencia observada es de hasta el 93%. Según el autor principal Chao-Yang Lu, profesor de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC), “las mejoras factibles pueden extender aún más la distancia a unos 600 km”.

Lu comenta: “Nuestro trabajo saltó de los experimentos cuánticos basados ​​​​en QD anteriores a una escala de ~ 1 km a 300 km, dos órdenes de magnitud más grandes, y por lo tanto abre una perspectiva emocionante de redes cuánticas de estado sólido”. Con este salto informado, el amanecer de las redes cuánticas de estado sólido pronto podría comenzar a despuntar hacia el día.

Más información:
Xiang You et al, Interferencia cuántica con fuentes independientes de un solo fotón en fibra de 300 km, Fotónica avanzada (2022). DOI: 10.1117/1.AP.4.6.066003

Citación: Interferencia cuántica de alta visibilidad entre dos puntos cuánticos de semiconductores independientes logrados (28 de diciembre de 2022) consultado el 29 de diciembre de 2022 en https://phys.org/news/2022-12-high-visibility-quantum-independent-semiconductor-dots. html

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