Un equipo del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía de EE. UU., La Universidad de Stanford y la Universidad de Purdue desarrolló y demostró una red de área local cuántica novedosa y completamente funcional, o QLAN, para permitir ajustes en tiempo real a la información compartida con sistemas geográficamente aislados enORNL utilizando fotones entrelazados que pasan a través de fibra óptica.
Esta red ejemplifica cómo los expertos pueden conectar de forma rutinaria computadoras cuánticas y sensores a una escala práctica, y de ese modo darse cuenta de todo el potencial de estas tecnologías de próxima generación en el camino hacia la tan esperada Internet cuántica. Los resultados del equipo, que se publican en PRX Quantum , marca la culminación de años de investigación relacionada.
Las redes de área local que conectan dispositivos informáticos clásicos no son nada nuevo, y las QLAN se han probado con éxito en estudios de sobremesa. La distribución de claves cuánticas ha sido el ejemplo más común de comunicaciones cuánticas en el campo hasta ahora, pero este procedimiento es limitado porque soloestablece seguridad, no enredos, entre sitios.
"Estamos tratando de establecer una base sobre la cual podamos construir una Internet cuántica mediante la comprensión de funciones críticas, como el ancho de banda de distribución de entrelazamiento", dijo Nicholas Peters, jefe de la sección de Ciencia de la Información Cuántica en ORNL. "Nuestro objetivo es desarrollarlas herramientas fundamentales y los bloques de construcción que necesitamos para demostrar las aplicaciones de redes cuánticas para que puedan implementarse en redes reales para obtener ventajas cuánticas ".
Cuando dos fotones, partículas de luz, se emparejan o entrelazan, exhiben correlaciones cuánticas que son más fuertes que las posibles con cualquier método clásico, independientemente de la distancia física entre ellos. Estas interacciones permiten protocolos de comunicaciones cuánticas contradictorios quesolo se puede lograr utilizando recursos cuánticos.
Uno de esos protocolos, preparación de estado remoto, aprovecha el entrelazamiento y las comunicaciones clásicas para codificar información midiendo la mitad de un par de fotones entrelazados y convirtiendo efectivamente la otra mitad al estado cuántico preferido. Peters dirigió la primera realización experimental general de preparación de estado remotoen 2005 mientras obtenía su doctorado en física. El equipo aplicó esta técnica en todos los enlaces emparejados en la QLAN, una hazaña que no se había logrado anteriormente en una red, y demostró la escalabilidad de las comunicaciones cuánticas basadas en entrelazamientos.
Este enfoque permitió al equipo vincular tres nodos remotos, conocidos como "Alice", "Bob" y "Charlie", nombres comúnmente utilizados para personajes de ficción que pueden comunicarse a través de transmisiones cuánticas, ubicados en tres laboratorios de investigación diferentes entres edificios separados en el campus de ORNL. Desde el laboratorio que contiene a Alice y la fuente de fotones, los fotones distribuyeron entrelazamiento a Bob y Charlie a través de la infraestructura de fibra óptica existente de ORNL.
Las redes cuánticas son incompatibles con amplificadores y otros recursos clásicos de aumento de señal, que interfieren con las correlaciones cuánticas compartidas por fotones entrelazados. Teniendo en cuenta este posible inconveniente, el equipo incorporó el aprovisionamiento de ancho de banda de red flexible, que utiliza conmutadores selectivos de longitud de onda para asignar yreasignar recursos cuánticos a los usuarios de la red sin desconectar la QLAN. Esta técnica proporciona un tipo de tolerancia a fallas incorporada a través de la cual los operadores de red pueden responder a un evento imprevisto, como una fibra rota, redirigiendo el tráfico a otras áreas sin interrumpir la velocidad de la red.o comprometer los protocolos de seguridad.
"Debido a que la demanda en una red puede cambiar con el tiempo o con diferentes configuraciones, no desea tener un sistema con canales de longitud de onda fija que siempre asigne a usuarios particulares las mismas porciones", dijo Joseph Lukens, investigador y miembro de Wignercientífico de ORNL y experto en ingeniería eléctrica del equipo. "En cambio, desea la flexibilidad para proporcionar más o menos ancho de banda a los usuarios de la red según sus necesidades".
En comparación con sus contrapartes clásicas típicas, las redes cuánticas necesitan que la sincronización de la actividad de cada nodo esté mucho más sincronizada. Para cumplir con este requisito, los investigadores confiaron en el GPS, la misma tecnología versátil y rentable que utiliza datos satelitales para proporcionarservicios de navegación diarios. Usando una antena GPS ubicada en el laboratorio de Bob, el equipo compartió la señal con cada nodo para asegurarse de que los relojes basados en GPS estuvieran sincronizados en unos pocos nanosegundos y que no se separaran durante el experimento.
Habiendo obtenido marcas de tiempo precisas para la llegada de fotones entrelazados capturados por detectores de fotones, el equipo envió estas mediciones desde la QLAN a una red clásica, donde recopilaron datos de alta calidad de los tres laboratorios.
"Esta parte del proyecto se convirtió en un desafiante experimento de red clásico con tolerancias muy estrictas", dijo Lukens. "La sincronización en una red clásica rara vez requiere ese nivel de precisión o tanta atención al detalle con respecto a la codificación y sincronización entre los diferentes laboratorios.. "
Sin la señal de GPS, la demostración de QLAN habría generado datos de menor calidad y menor fidelidad, una métrica matemática vinculada al rendimiento de la red cuántica que mide la distancia entre estados cuánticos.
El equipo anticipa que pequeñas actualizaciones a la QLAN, incluida la adición de más nodos y el anidamiento de conmutadores selectivos de longitud de onda, formarían versiones cuánticas de redes interconectadas, la definición literal de Internet.
"Internet es una gran red formada por muchas redes más pequeñas", dijo Muneer Alshowkan, un investigador asociado postdoctoral en ORNL que aportó valiosa experiencia en informática al proyecto. "El siguiente gran paso hacia el desarrollo de una Internet cuántica espara conectar la QLAN a otras redes cuánticas ".
Además, los hallazgos del equipo podrían aplicarse para mejorar otras técnicas de detección, como las que se usan para buscar evidencia de materia oscura elusiva, la sustancia invisible que se cree que es la fuente de materia predominante en el universo.
"Imagine la construcción de redes de sensores cuánticos con la capacidad de ver los efectos fundamentales de la física de alta energía", dijo Peters. Al desarrollar esta tecnología, nuestro objetivo es reducir la sensibilidad necesaria para medir esos fenómenos para ayudar en la búsqueda continua de la oscuridadmateria y otros esfuerzos para comprender mejor el universo ".
Los investigadores ya están planificando su próximo experimento, que se centrará en implementar métodos de sincronización de tiempo aún más avanzados para reducir la cantidad de accidentes, las fuentes de ruido en la red, y mejorar aún más la calidad de servicio de la QLAN.
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