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(Noticias de Nanowerk) Utilizando los recursos computacionales y experimentales existentes, un equipo multiinstitucional ha desarrollado un método efectivo para medir qudits de alta dimensión codificados en peines de frecuencia cuántica, que son un tipo de fuente de fotones, en un solo chip óptico.
Aunque la palabra «qudit» puede parecer un error tipográfico, este primo menos conocido del qubit, o bit cuántico, puede transportar más información y es más resistente al ruido, ambas cualidades clave necesarias para mejorar el rendimiento de las redes cuánticas, sistemas de distribución clave y, finalmente, la Internet cuántica.
Los bits de computadora clásicos clasifican los datos como unos o ceros, mientras que los qubits pueden contener valores de uno, cero o ambos, simultáneamente, debido a la superposición, un fenómeno que permite que existan múltiples estados cuánticos simultáneamente. La «d» en qudit representa la cantidad de niveles o valores diferentes que se pueden codificar en un fotón. Los qubits tradicionales tienen dos niveles, pero agregar más niveles los convierte en qudits.
Recientemente, investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía de EE. UU., la Universidad de Purdue y el Instituto Federal Suizo de Tecnología en Lausana (EPFL) caracterizaron completamente un par entrelazado de qudits de ocho niveles que formaban un espacio cuántico de 64 dimensiones, cuadruplicando el anterior. Registro para modos de frecuencia discretos.
Estos resultados fueron publicados en comunicación de la naturaleza («Tomografía bayesiana de peines de frecuencia de bifotón en chip de alta dimensión con mediciones aleatorias»).
![resonador de microanillo](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id61641_1.jpg)
«Siempre hemos sabido que es posible codificar qudits de 10 o 20 niveles o incluso más utilizando los colores de los fotones o las frecuencias ópticas, pero el problema es que medir estas partículas es muy difícil», dijo Hsuan Hao Lu. Postdoctorado en ORNL. «Ese es el valor de este documento: hemos encontrado una técnica eficiente y novedosa que es relativamente fácil de llevar a cabo experimentalmente».
Los qudits son aún más difíciles de medir cuando están entrelazados, lo que significa que comparten correlaciones no clásicas independientemente de la distancia física entre ellos. A pesar de estos desafíos, los pares de contenedores de frecuencia (dos qudits en forma de fotones entrelazados en frecuencia) son adecuados para transportar información cuántica porque pueden seguir un camino prescrito a través de la fibra óptica sin que su entorno los modifique significativamente.
«Combinamos la producción de contenedores de frecuencia de última generación con fuentes de luz de última generación, y luego usamos nuestra técnica para caracterizar el enredo de qudit de alta dimensión con una precisión que no se había mostrado anteriormente. dijo Joseph Lukens, miembro de Wigner y científico investigador de ORNL.
Los investigadores comenzaron sus experimentos dirigiendo un láser a un resonador de microanillo, un dispositivo circular en un chip fabricado y desarrollado por EPFL para producir luz no clásica. Esta poderosa fuente de fotones ocupa 1 milímetro cuadrado, comparable a la punta de un lápiz afilado, y permitió al equipo generar pares de contenedores de frecuencia en forma de peines de frecuencia cuántica.
Por lo general, los experimentos qudit requieren que los investigadores construyan un tipo de circuito cuántico llamado puerta cuántica. Pero en este caso, el equipo usó un modulador de fase electroóptico para mezclar diferentes frecuencias de luz y un modelador de pulsos para modificar la fase de esas frecuencias. Estas técnicas se estudian ampliamente en el Laboratorio de comunicaciones de fibra óptica y óptica ultrarrápida dirigido por Andrew Weiner en Purdue, donde Lu estudió antes de unirse a ORNL.
Estos dispositivos ópticos son comunes en la industria de las telecomunicaciones, y los investigadores realizaron estas operaciones al azar para capturar muchas correlaciones de frecuencia diferentes. Según Lu, este proceso es como lanzar un dado de seis caras y observar cuántas veces ocurre cada combinación de números, pero ahora los dados están enredados entre sí.
«Esta técnica, que incluye moduladores de fase y modeladores de pulsos, se está aplicando con fuerza en el contexto clásico para el procesamiento de señales fotónicas ultrarrápidas y de banda ancha y se está extendiendo a la ruta cuántica de qudits de frecuencia», dijo Weiner.
Para trabajar hacia atrás e inferir qué estados cuánticos produjeron correlaciones de frecuencia ideales para las aplicaciones de Qudit, los investigadores desarrollaron una herramienta de análisis de datos basada en un método estadístico llamado inferencia bayesiana y realizaron simulaciones por computadora en ORNL. Este logro se basa en el trabajo anterior del equipo, que se centró en realizar análisis bayesianos y reconstruir estados cuánticos.
En preparación para una serie de experimentos, los investigadores ahora están refinando su método de medición. Mediante el envío de señales a través de fibras ópticas, su objetivo es probar protocolos de comunicación cuántica como la teletransportación, un método de transporte de información cuántica y el intercambio de entrelazamiento, en el que dos partículas que antes no estaban relacionadas se entrelazan entre sí.
Karthik Myilswamy, un estudiante graduado de Purdue, planea llevar el resonador de microanillos a ORNL, lo que permitirá al equipo probar estas capacidades en la red cuántica local del laboratorio.
«Ahora que tenemos un método para caracterizar eficientemente los qudits de frecuencia entrelazados, podemos realizar otros experimentos orientados a la aplicación», dijo Myilswamy.
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