Un equipo de físicos polaco-británico ha construido y probado un convertidor compacto y eficiente capaz de modificar las propiedades cuánticas de fotones individuales. El nuevo dispositivo debería facilitar la construcción de computadoras cuánticas complejas, y en el futuro puede convertirse en un elemento importante enredes cuánticas mundiales, las sucesoras de la Internet actual.
Internet cuántica y computadoras cuánticas híbridas, construidas a partir de subsistemas que operan mediante diversos fenómenos físicos, ahora se están convirtiendo en algo más que la imaginación. En un artículo recién publicado en la revista Fotónica de la naturaleza , los físicos de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia FUW y la Universidad de Oxford han presentado un elemento clave de tales sistemas: un dispositivo electroóptico que permite modificar las propiedades de los fotones individuales. A diferencia de las construcciones de laboratorio existentes,Este nuevo dispositivo funciona con una eficiencia que antes era inalcanzable y al mismo tiempo es estable, confiable y compacto.
Construir un dispositivo eficiente para modificar el estado cuántico de fotones individuales fue una tarea excepcionalmente difícil, dadas las diferencias fundamentales entre la computación clásica y cuántica.
Los sistemas informáticos contemporáneos se basan en el procesamiento de grupos de bits, cada uno de los cuales se encuentra en un estado específico y bien conocido: 0 o 1. Los grupos de dichos bits se transfieren continuamente entre diferentes subcomponentes dentro de una sola computadora,y entre diferentes computadoras en la red. Podemos ilustrar esto en sentido figurado al imaginar una situación en la que las bandejas de monedas se mueven de un lugar a otro, con cada moneda colocada con el lado de la cara o el lado de la cola hacia arriba.
Las cosas son más complicadas en la computación cuántica, que se basa en el fenómeno de superposición de estados. Un bit cuántico, conocido como qubit, puede estar en el estado 1 y en el estado 0 al mismo tiempo. Para continuar con la analogía descritaarriba, esto sería como una situación en la que cada moneda gira sobre su borde. El procesamiento de la información puede describirse como procesamiento "cuántico" siempre que esta superposición de estados pueda mantenerse durante todas las operaciones, en otras palabras, siempre queninguna de las monedas sale del estado de giro mientras se mueve la bandeja.
"En los últimos años, los físicos han descubierto cómo generar pulsos de luz con una longitud de onda o polarización específica, que consiste en un solo cuántico - o excitación - del campo electromagnético. Y hoy sabemos cómo generar exactamente cualquier tipode "monedas giratorias" cuánticas que queremos ", dice el Dr. Michal Karpinski del Instituto de Física Experimental FUW, uno de los autores de la publicación." ¡Pero lograr una cosa siempre te deja con ganas de más! Si ahora tenemos luz individualQuanta con propiedades específicas, sería útil modificar esas propiedades. Por lo tanto, la tarea es más o menos esto: tomar una moneda de plata giratoria y moverla de un lugar a otro, pero a lo largo del camino convertirla rápida y precisamente en una moneda de oro, naturalmente, sin volcarlo. Puede ver fácilmente que el problema no es trivial ".
Los métodos existentes para modificar fotones individuales han utilizado técnicas ópticas no lineales, en la práctica intentando forzar a un fotón individual a interactuar con un haz de bomba óptica muy fuerte. Si el fotón sometido realmente se modifica es una cuestión de pura casualidad. Además, elLa dispersión del haz de la bomba puede contaminar el flujo de fotones individuales. Al construir el nuevo dispositivo, el grupo de la Universidad de Varsovia y la Universidad de Oxford decidió hacer uso de un fenómeno físico diferente: el efecto electroóptico que ocurre en ciertos cristalesProporciona una forma de alterar el índice de refracción de la luz en el cristal, variando la intensidad de una fuerza magnética externa que se le aplica en otras palabras, ¡sin introducir ningún fotón adicional!.
"Es bastante sorprendente que para modificar las propiedades cuánticas de los fotones individuales, podamos aplicar con éxito técnicas muy similares a las utilizadas en las telecomunicaciones estándar de fibra óptica", dice el Dr. Karpinski.
¡Usando el nuevo dispositivo, los investigadores lograron, sin interrumpir la superposición cuántica! - lograr un alargamiento de seis veces la duración de un pulso de fotón único, lo que automáticamente significa un estrechamiento de su espectro. Lo que es particularmente importantees que toda la operación se llevó a cabo conservando una eficiencia de conversión muy alta. Los convertidores existentes solo han funcionado en condiciones de laboratorio y solo fueron capaces de modificar uno en varias decenas de fotones. El nuevo dispositivo funciona con una eficiencia superior al 30%, hastaincluso 200 veces mejor que ciertas soluciones existentes, manteniendo un bajo nivel de ruido.
"En esencia, procesamos cada fotón que ingresa al cristal. La eficiencia es inferior al 100% no por la física del fenómeno, sino por las pérdidas difíciles de evitar de naturaleza puramente técnica, que aparecen, por ejemplo, cuando la luzentra de las salidas de las fibras ópticas ", explica el estudiante de doctorado Michal Jachura FUW.
El nuevo convertidor no solo es eficiente y silencioso, sino también estable y compacto: el dispositivo puede estar contenido en una caja con una dimensión no mayor de 10 cm 4 pulgadas, fácil de instalar en un sistema de fibra ópticacanalizando fotones individuales. Tal dispositivo nos permite pensar de manera realista sobre la construcción, por ejemplo, de una computadora cuántica híbrida, cuyos subcomponentes individuales procesarían la información de manera cuántica utilizando diferentes plataformas y fenómenos físicos. Actualmente, se están haciendo intentos para construircomputadoras cuánticas que utilizan, entre otros, iones atrapados, espines de electrones en diamante, puntos cuánticos, circuitos eléctricos superconductores y nubes atómicas. Cada uno de estos sistemas interactúa con luz de diferentes propiedades, lo que en la práctica descarta la transmisión óptica de información cuántica entre diferentes sistemas.El nuevo convertidor, por otro lado, puede transformar eficientemente pulsos de luz de un solo fotón compatibles con un sistema en pulsos compatibles con otro.Por lo tanto, los usuarios están ganando un camino real para construir redes cuánticas, tanto las pequeñas dentro de una sola computadora cuántica o un subcomponente de la misma como las globales que proporcionan una forma de enviar datos de manera completamente segura entre computadoras cuánticas ubicadas en diferentes partes del mundo.
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Materiales proporcionado por Facultad de Física Universidad de Varsovia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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