Las computadoras cuánticas pueden realizar ciertos cálculos a velocidades significativas, pero conectarlas a largas distancias sigue siendo uno de los principales obstáculos para construir redes cuánticas grandes y confiables.
Hasta hace poco, dos ordenadores cuánticos sólo podían conectarse a través de un cable de fibra a unos pocos kilómetros de distancia. Esta limitación significa que un sistema en el campus South Side de la Universidad de Chicago no puede comunicarse con uno en Willis Tower, aunque ambos estén ubicados dentro de la misma ciudad. La distancia era demasiado grande para la tecnología actual.
Un nuevo estudio fue publicado el 6 de noviembre en comunicación de la naturaleza Asistente de la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago (UChicago PME). El profesor Tian Zhong sugiere que esta frontera puede ampliarse drásticamente. El trabajo de su equipo indica que, en teoría, las conexiones cuánticas podrían extenderse hasta 2.000 km (1.243 millas).
Con este método, la computadora cuántica de UChicago que alguna vez tuvo problemas para llegar a la Torre Willis puede conectarse a un dispositivo ubicado en las afueras de Salt Lake City, Utah.
“Por primera vez, la tecnología para crear una Internet cuántica global está a nuestro alcance”, afirmó Zhong, quien recientemente recibió el prestigioso Premio Sturgeon por la investigación.
Por qué es importante la coherencia cuántica
Para construir redes cuánticas de alto rendimiento, los investigadores deben entrelazar átomos y mantener ese entrelazamiento mientras las señales viajan a través de cables de fibra. Cuanto mayor sea el tiempo de coherencia de estos átomos entrelazados, más separados pueden estar los ordenadores cuánticos conectados.
En el nuevo estudio, el equipo de Zhong logró aumentar el tiempo de coherencia de los átomos de erbio individuales de 0,1 milisegundos a más de 10 milisegundos. En una prueba lograron un ajuste de 24 milisegundos. En condiciones ideales, esta mejora podría permitir la comunicación entre computadoras cuánticas separadas por una distancia de unos 4.000 kilómetros, entre UChicago PME y Ocaña, Colombia.
Construyendo los mismos materiales de una manera nueva.
El equipo no recurrió a materiales exóticos o desconocidos. En cambio, reinventaron cómo se fabricaban los materiales. Crearon 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 fabricar este material es esencialmente un crisol”, dijo Zhong, refiriéndose al método Czochralski. “Se añade la proporción adecuada de ingredientes y luego se derrite todo. La temperatura alcanza los 2.000 grados centígrados y se enfría lentamente para formar un cristal material”.
A continuación, los investigadores graban químicamente el cristal enfriado hasta convertirlo en un material utilizable. Zhong lo compara con un escultor hasta que emerge la forma final.
MBE se basa en un concepto muy diferente. Es como la impresión 3D, pero a escala atómica. El proceso coloca el cristal en capas extremadamente delgadas, creando finalmente la estructura exacta necesaria para el dispositivo.
“Comenzamos con nada y luego ensamblamos este dispositivo átomo por átomo”, dice Zhong. “La calidad o pureza de este material es tan alta que las propiedades de coherencia cuántica de estos átomos se vuelven grandes”.
Aunque MBE se ha utilizado en otras áreas de la ciencia de materiales, no se había aplicado previamente a materiales dopados con tierras raras. Para este proyecto, Zhong colaboró con el especialista en síntesis de materiales UChicago PME Assistant. Profesor Shuolong Yang MBE para adaptarse a sus necesidades.
El profesor del Instituto de Ciencias Fotónicas, Dr. Hugues de Riedmatten, que no participó en la investigación, describió los hallazgos como un importante paso adelante. “El método demostrado en este artículo es muy innovador”, afirmó. “Esto muestra que un enfoque de nanofabricación ascendente y bien controlado puede realizar qubits de iones de tierras raras individuales con excelentes propiedades ópticas y de coherencia de espín, lo que lleva a una interfaz de fotones de espín de larga vida con emisión en longitudes de onda de telecomunicaciones, ofreciendo todos juntos un dispositivo de interés compatible con fibra para una arquitectura avanzada que es un dispositivo importante para fabricar muchos dispositivos conectables en red de forma controlada. qubit”.
Preparándose para las pruebas del mundo real
La siguiente fase del proyecto es determinar si los tiempos coherentes desarrollados más allá de los modelos teóricos pueden realmente soportar la comunicación cuántica a larga distancia.
“Antes de desplegar la fibra, digamos, de Chicago a Nueva York, la probaremos en mi laboratorio”, dijo Zhong.
El equipo planea utilizar 1.000 kilómetros de fibra enrollada para conectar dos qubits alojados en refrigeradores delgados (“refrigeradores”) separados dentro del laboratorio de Zhong. Este paso les ayudará a verificar que el sistema se comporta como se espera antes de pasar a escalas mayores.
“Ahora estamos construyendo el tercer refrigerador en mi laboratorio. Cuando todo esté junto, formará una red local, y primero realizaremos experimentos localmente en mi laboratorio para simular cómo será una futura red de larga distancia”, dijo Zhong. “Esto es parte del gran objetivo de construir una verdadera Internet cuántica, y estamos logrando otro hito hacia ese objetivo”.
