Un gran avance para la comunicación cuántica a larga distancia
Las tecnologías cuánticas ofrecen varias vías de experimentación e innovación. Mediante la combinación de experiencia conceptual y tecnológica, el equipo del proyecto ErBeStA, financiado con fondos europeos, desarrolló componentes de vanguardia para tecnologías cuánticas ópticas, con lo que amplió el potencial de los pares de partículas de luz entrelazadas para la comunicación cuántica. El objetivo general de ErBeStA era realizar una contribución decisiva para hacer realidad la gran visión de un «internet cuántico». Un componente fundamental para la obtención de ordenadores cuánticos ópticos universales, así como para la creación de repetidores cuánticos eficientes, que constituyen un requisito previo para la comunicación cuántica a larga distancia, es un analizador óptico de estado de Bell a prueba de errores. La creación de un dispositivo de este tipo, que pueda medir el estado de un par de fotones entrelazados, siempre ha representado un desafío esencial para los científicos cuánticos. En concreto, requiere una no linealidad óptica a nivel de fotones individuales, que se logra a través del fuerte acoplamiento de la luz a emisores de fotones individuales. En el marco de ErBeStA, se utilizaron tres sistemas diferentes de emisores de fotones individuales: átomos fríos, superátomos de Rydberg y emisores cuánticos de estado sólido. Para lograr un fuerte acoplamiento a los campos de luz, se empleó la nanofotónica.
Cruzar los límites de la nanofotónica
«En el transcurso del proyecto, obtuvimos una serie de resultados importantes en el campo de las redes cuánticas y los circuitos ópticos avanzados», afirma el coordinador del proyecto, Arno Rauschenbeutel, de la Universidad Humboldt de Berlín. ErBeStA dio lugar al desarrollo de tipos novedosos y mejorados de fuentes de luz cuántica, a elementos ópticos no recíprocos novedosos (es decir, elementos que tratan la luz de manera diferente cuando se propaga hacia adelante o hacia atrás), a fotodetectores de resolución de números de fotones novedosos y a emisores de fotones individuales. Todos estos avances son fundamentales para las tecnologías ópticas (cuánticas). Por el lado de la nanofotónica, se desarrollaron varias tecnologías para la fabricación de guías de ondas de tamaño nanométrico para mejorar las interacciones luz-materia. Más allá del puro interés científico, estas son un componente esencial para varias aplicaciones novedosas e innovadoras, como dispositivos de detección cuántica o interruptores ópticos que son operados por un solo átomo. «Estamos convencidos de que, en el futuro, estas estructuras facilitarán nuevas oportunidades en ciencia y tecnología cuánticas», añade Rauschenbeutel.
Soluciones de tecnología cuántica innovadoras y con repercusión
Para avanzar en el campo de las tecnologías cuánticas compactas, se desarrollaron y aplicaron sistemas de distribución de luz láser y espectroscopia impresos en tres dimensiones (3D) junto con la primera cámara de vacío impresa en 3D del mundo. «Estos sistemas impresos podrían ser una solución para el uso generalizado anticipado y la gran repercusión de las tecnologías cuánticas en aplicaciones de detección. Además, mantienen la promesa de proporcionar un camino claro para la miniaturización y la funcionalidad ampliada», explica Rauschenbeutel. A nivel conceptual, ErBeStA realizó múltiples descubrimientos novedosos aplicables a tecnologías futuras y nuevas direcciones de investigación. Al estudiar desde un punto de vista teórico los emisores atómicos acoplados a una guía de ondas, los investigadores han comprobado el potencial de los sistemas integrados de guía de ondas-emisores para el estudio de fenómenos cuánticos colectivos y la generación de estados comprimidos para la metrología cuántica mejorada. También han estudiado la propagación de la luz y las no linealidades en los superátomos de Rydberg. De este modo, lograron demostrar cómo se puede usar esto último para llevar a cabo operaciones de clasificación de fotones (es decir, para separar pulsos de luz que contienen dos fotones de aquellos que contienen un solo fotón) y cómo esto permitirá el uso de un analizador de estado de Bell sin necesidad de elementos no recíprocos. Asimismo, el equipo ha desarrollado un nuevo método que utiliza conjuntos atómicos bidimensionales (los llamados «espejos cuánticos») para lograr la clasificación determinista de fotones y el análisis del estado de Bell. Los esquemas concebidos actualmente presentan los únicos métodos deterministas que se pueden aplicar en operación pasiva, es decir, sin conocimiento previo del tiempo de llegada de los fotones.
Palabras clave
ErBeStA, analizador de estado de Bell, emisores cuánticos, comunicación cuántica a larga distancia, nanofotónica, tecnología cuántica
