Un par de investigadores del Instituto James Franck han dado un paso histórico esta semana, al descubrir cómo traducir la información cuántica entre distintos tipos de tecnologías. Esencialmente, cómo transformar un fotón de microondas en uno óptico.
Los fotones, o partículas de luz, son esenciales para los sistemas de información cuántica. Por ejemplo, algunas de las computadoras cuánticas más comunes se basan en qubits superconductores, como los que utilizan Google e IBM. Ellas almacenan información en fotones que se mueven a frecuencias de microondas. Sin embargo, este tipo de partícula solo parece funcionar con dispositivos muy específicos.
Si deseamos construir una red cuántica, por ejemplo, no podemos enviar fotones de microondas porque su control sobre la información es demasiado débil para sobrevivir al viaje. En su lugar, tendríamos que transferir la información cuántica a una partícula de mayor frecuencia, como el fotón óptico, que es resistente al ruido ambiental.
Ese ha sido por muchos años el principal obstáculo en la creación del internet cuántico. No obstante, parece que han encontrado finalmente la solución.
La «transducción» de fotones
El equipo del Instituto James Franck descubrió que era posible transferir información de fotón a fotón usando una estructura fundamental: los átomos.
Los electrones en los átomos solo pueden tener ciertas cantidades específicas de energía, o niveles de energía como se le conoce en el medio. 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 igual forma, 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.
Puede que esto suene confuso, con todo e imagen, pero descuida. Lo único que debes asimilar es que los electrones en los átomos pueden modificarse.
Ahora, los átomos de rubidio que se usan en las computadoras cuánticas tienen dos brechas en sus niveles: 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. Entonces, mediante el uso de láseres, se puede cambiar las energías de los electrones en los átomos para que absorban un fotón de microondas con información cuántica y luego emitan un fotón óptico con esa información.
Esta transformación entre diferentes modos de información cuántica no sería “traducción”, sino más bien una «transducción». Aunque ambos términos pueden aplicarse, según comentan los investigadores.
¿Por qué decimos que es un hito cuántico?
El nuevo sistema propuesto funciona en ambos sentidos: puede transferir información cuántica de fotones de microondas a fotones ópticos, y viceversa. Por tanto, puede estar a ambos lados de una conexión a larga distancia entre dos ordenadores cuánticos con qubits superconductores.
Tal hazaña representa una nueva forma de convertir la información cuántica del formato utilizado por las computadoras cuánticas al formato necesario para la comunicación cuántica. Lo que significa que estamos ante un paso importante en el camino hacia la internet cuántica.
Por no mencionar que se trata de un método bastante efectivo. El secreto de su éxito es el progreso del campo en la electrodinámica cuántica de cavidades, donde un fotón queda atrapado en una cámara reflectante superconductora.
Resulta que, al obligar al fotón a rebotar en un espacio cerrado, la cavidad superconductora fortalece la interacción entre el fotón y cualquier materia que se coloque dentro de él.
“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. Nosotros, como comunidad, hemos desarrollado una tecnología notable en los últimos 20 o 30 años. Así que el experimento es muy controlado y eficiente».
Aishwarya Kumar, posdoctorado en el Instituto James Franck
Sin duda, este hito cuántico tendrá muchas aplicaciones en el futuro. No solo en el campo de las redes cuánticas, sino también en la computación, la metrología y el manejo de relojes atómicos. Después de todo, se trata de un caso de entrelazamiento exitoso, que es la base fundamental para casi todo lo cuántico.
Referencias:
Quantum-enabled millimetre wave to optical transduction using neutral atoms https://dx.doi.org/10.1038/s41586-023-05740-2
