Fotones como dígitos cuánticos con 10 estados

Dibujo20170630 Generation of entangled photons for the multilevel encoding of information nature 546602a-f1

Los cúbits (qubits) son dígitos cuánticos (cúdits) con dos valores; hay cúdits de tipo cútrit (qutrit), cuártit (quartit), etc., Se publica en Nature un sistema para generar dos fotones entrelazados con un estado tipo décadit (10-dit). La pareja de cúdits entrelazados permite codificar 100 posibles estados. La aplicación más directa de estos décadits son las comunicaciones cuánticas basadas en fibra óptica.

En los ordenadores cuánticos se usan registros de N cúdits en superposición coherente. Con N cúbits se manipulan en cada operación sus 2N estados; con N décadits se manipularían de forma simultánea sus 10N estados. Por desgracia, la implementación de ordenadores cuánticos de propósito general usando tecnologías fotónicas tiene muchas limitaciones en la actualidad (la mayoría de los avances se limitan ala computación óptica lineal). Por ello, no preveo que la nueva tecnología publicada en Nature tenga un uso futuro en ordenadores cuánticos fotónicos.

El artículo es Michael Kues, Christian Reimer, …, Roberto Morandotti, “On-chip generation of high-dimensional entangled quantum states and their coherent control,” Nature 546: 622–626 (29 Jun 2017), doi: 10.1038/nature22986; más información divulgativa en Roberto Osellame, “Optical physics: A larger quantum alphabet,” Nature 546: 602–603 (29 Jun 2017), doi: 10.1038/546602a, y Charles Q. Choi, “Qudits: The Real Future of Quantum Computing?” IEEE Spectrum, Tech Talk, 28 Jun 2017.

Dibujo20170630 Experimental setup for high-dimensional quantum state generation and control nature22986-f1

Esta figura ilustra el experimento usado para crear, manipular y detectar los décadits. Un láser (pulsed laser) a 1550 nm introduce pulsos en un microrresonador en anillo (micro-ring), un anillo de fibra óptica con un diámetro de 270 μm, del que se extraen parejas de fotones entrelazados (entangled photon pairs). El microrresonador tiene múltiples frecuencias de resonancia; vía un proceso físico llamado mezclado de cuatro ondas espontáneo (spontaneous four-wave mixing, o SFWM) que da lugar a un peine óptico de frecuencias (el espectro del pulso tiene un conjunto de picos en frecuencia equiespaciados, que en la figura aparecen en rojo y en azul). Se logran 10 frecuencias entre 1534 nm y 1550 nm, y otras 10 entre 1550 nm y 1566 nm.

En el microrresonador en anillo los pulsos ópticos pueden seguir dos caminos, rotar en sentido horario y en sentido antihorario; luego a su salida aparecen dos pulsos ópticos, uno con un peine de frecuencias por debajo de la frecuencia del láser (en rojo en la figura) y otro por encima (en azul). Estos dos fotones están entrelazados entre sí. Para codificar información en estos fotones se usa un modulador de phase (phase modulator) que modula la amplitud de los picos del peine de frecuencias de cada fotón (como están entrelazados se modulan de forma coordinada).

Dibujo20170630 coherent control of frequency-entangled high-dimensional quantum states nature22986-f3

El estado cuántico de cada fotón |Ψ⟩ de cada fotón (signal e idler, términos que no se suelen traducir al español) corresponde a una superposición cuántica de diez estados, desde |1⟩ hasta |10⟩. Usando filtros y modulares se puede cambiar la amplitud de probabilidad asociada a cada uno de estos estados en superposición; este proceso de control coherente del estado entrelazado en frecuencia de los fotones se usa para codificar información en el fotón. Mediante un detector de coincidencias, que detecta fotones individuales, se puede usar para realizar medidas cuánticas del estado (la llamada tomografía de estodo cuántico) y realizar medidas de tipo Bell (para confirmar el entrelazamiento cuántico entre ambos fotones).

Dibujo20170630 Characterization of the quantum state dimensionality nature22986-f2

Usando filtros se pueden separar ambos fotones, cada uno almacenando un décadit, y se puede realizar un experimento de tipo Bell para verificar su entrelazamiento. La matriz de correlación mostrada en esta figura muestra que el entrelazamiento es (casi) máximo; futuras investigaciones tendrán por objetivo reducir el ruido de fondo, barras en gris en la figura, para acercarlo al que se logra hoy en día para cúdits con menos estados.

Lo más interesante del nuevo trabajo es que todos los componentes usados son comerciales y están disponibles en el mercado para cualquier laboratorio de óptica que quiera repetir este trabajo. Más aún, usando una bobina de fibra óptica se han separado los fotones entrelazados una distancia de 24,2 km y se ha verificado que su entrelazamiento se preserva en grandes distancias.

Dibujo20170630 Bell inequality violation and quantum state tomography nature22986-f4

Me gustaría destacar que las tecnologías ópticas actuales permiten producir peines en frecuencia de hasta 96 componentes. Por ello anticipo que pronto se publicará la creación de 96-dits usando fotones (aunque verificar el entrelazamiento en un sistema con 962 = 9216 estados tiene un coste desorbitado).

En resumen, un trabajo muy interesante que promete aplicaciones en comunicaciones ópticas cuánticas; los cúdits permiten reducir el número de cúbits que hay que enviar por una fibra óptica para codificar cierta información (por ejemplo, dos 32-dits almacenan la misma información que diez cúbits; recuerda que 1024 = 322). Habrá que estar al tanto de los avances en esta línea.


3 Comentarios

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Jaime RudasJaime Rudas

“La pareja de cúdits entrelazados permite codificar 100 posibles estados.”
¿Cúdits o décadits?

jaime Rudasjaime Rudas

Ah, ya veo: había entendido (erróneamente) que un cúdit era un 2-dit

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