El conjunt de memòries quàntiques en sèrie de l’ICFO ens apropa a la RAM quàntica
Els investigadors de l’ICFO han desenvolupat un conjunt de deu memòries quàntiques en sèrie que, podent-se controlar individualment, permeten emmagatzemar múltiples cúbits (l’anàleg quàntic del bit) de manera simultània i recuperar-los quan sigui necessari. Aquest assoliment constitueix un gran pas cap a la realització de sistemes de memòria quàntica que funcionin amb la mateixa flexibilitat que les actuals memòries d’accés aleatori (conegudes com a RAM, per les seves sigles en anglès).
Aquest sistema d’estat sòlid, anunciat a Physical Review X, es basa en una configuració prèviament desenvolupada pels mateixos investigadors amb 250 “espais vacants” per al potencial emmagatzematge d’un fotó, la qual cosa constitueix l’actual rècord mundial per a un dispositiu d’estat sòlid amb recuperació a petició. El seu sistema ens acosta a l’equivalent quàntic d’una memòria RAM i podria servir com a bloc fonamental per generar estats entrellaçats a gran escala (un recurs clau per a la computació quàntica) o augmentar dràsticament l’eficiència de la distribució d’entrellaçament a llargues distàncies (una tasca fonamental per a les futures xarxes de comunicació quàntica).
Internet, les xarxes socials i les tecnologies digitals han transformat completament la manera com establim relacions comercials, personals i professionals. En essència, aquesta societat depèn de l’intercanvi d’informació expressada en termes de bits. Aquesta unitat bàsica d’informació pot ser un 0 o un 1, i sol representar-se en circuits elèctrics, per exemple, com dos nivells de voltatge (un que representa el bit en estat 0 i l’altre en estat 1).
La capacitat d’emmagatzemar i manipular bits de manera eficient constitueix la base de l’electrònica digital i permet que els dispositius moderns realitzin una gran varietat de tasques, des d’enviar correus electrònics i reproduir música fins a fer simulacions numèriques. Tots aquests processos són possibles gràcies a components de hardware claus com les memòries d’accés aleatori (RAM), les quals permeten emmagatzemar dades temporalment i recuperar-les a petició.
En paral·lel, els avenços en física quàntica han donat lloc a un nou tipus d’unitat d’informació: el qubit. A diferència dels bits clàssics, que són estrictament 0 o 1, els qubits poden existir en una superposició d’ambdós estats alhora. Aquesta peculiaritat obre noves possibilitats per al processament i l’emmagatzematge d’informació, tot i que les seves implicacions pràctiques encara s’estan explorant.
Els futurs ordinadors quàntics i internet quàntic requeriran, de la mateixa manera que els clàssics, memòries quàntiques (en particular, memòries quàntiques d’accés aleatori) per emmagatzemar i recuperar qubits. Malgrat que existeixen diversos enfocaments per codificar qubits i implementar memòries quàntiques, encara cap d’ells s’ha consolidat com a opció estàndard.
Ara, els investigadors de l’ICFO, el Dr. Markus Teller, la Susana Plascencia, la Cristina Sastre Jachimska i el Dr. Samuele Grandi, sota la direcció del Prof. ICREA Hugues de Riedmatten, han assolit una fita important en el desenvolupament de memòries quàntiques d’estat sòlid, una de les plataformes més prometedores per a l’emmagatzematge d’informació quàntica. En un article recent a Physical Review X, utilitzen un conjunt de deu memòries en sèrie controlables individualment per emmagatzemar qubits en combinacions arbitràries d’aquestes cel·les de memòria i després recuperar-los a voluntat. Aquests resultats es basen en una publicació anterior a npj Quantum Information, on van introduir per primera vegada aquest conjunt.
La seva feina s’ha centrat en dues codificacions de qubits àmpliament utilitzades en tecnologies quàntiques fotòniques: la codificació per trajectòria, on el qubit es defineix per la memòria on entra el fotó, i la codificació per intervals temporals, on el qubit es codifica segons el moment d’arribada del fotó (en un interval de temps anterior o posterior). En aquest darrer cas, l’equip va implementar una característica única en el seu enfocament: la possibilitat d’emmagatzemar fotons en múltiples intervals de temps dins de cada cel·la de memòria.
Deu cel·les, un cristall: avenços en comunicacions i computació quàntica
En l’article de npj Quantum Information, l’equip va crear la formació de deu memòries quàntiques utilitzant un cristall dopat amb praseodimi i refredat a 3 Kelvin dins d’un criòstat. En aquest cristall, van assignar 250 “espais” d’emmagatzematge, o modes espaciotemporals, cadascun amb el potencial d’emmagatzemar un fotó, assolint l’actual rècord mundial per a un dispositiu d’estat sòlid amb recuperació a petició. Aquesta fita és realment notable, ja que la capacitat de recuperar qubits a petició és tècnicament molt difícil d’implementar i, tanmateix, és essencial a l’hora de sincronitzar xarxes quàntiques.
Posteriorment, l’equip va utilitzar una configuració similar (deu cel·les de memòria controlables individualment, però amb menys modes disponibles) per emmagatzemar diversos cúbits i recuperar-los en el moment oportú, cosa que finalment va donar lloc a l’article a PRX. Per aconseguir-ho, deflectors acusto-òptics van dirigir polsos làser al cristall, permetent escriure i llegir cúbits en combinacions arbitràries de cel·les. L’anàlisi posterior dels fotons recuperats va mostrar que el conjunt de memòries quàntiques en sèrie preservava els estats quàntics originals amb una fidelitat molt raonable.
Per acabar de demostrar el potencial de la seva configuració, l’equip va emmagatzemar dos qubits codificats en intervals temporals i els va recuperar simultàniament. Aquestes capacitats ens acosten un pas més a una memòria RAM quàntica d’estat sòlid, amb aplicacions en computació i comunicació quàntica. “Preveiem que es podria combinar aquesta plataforma amb una font d’estats de clúster fotònics per a la computació quàntica basada en llum”, comparteix el Dr. Markus Teller, primer coautor de l’estudi. “En aquest escenari, el conjunt de memòries quàntiques en sèrie emmagatzemaria cada vegada més fotons fins que es formés un gran estat quàntic entrellaçat. Aleshores podrien començar les operacions quàntiques.”
El sistema també podria impulsar els repetidors quàntics, l’eix vertebrador del futur internet quàntic. Aquests dispositius busquen estendre la comunicació quàntica a grans distàncies distribuint el recurs quàntic de l’entrellaçament al llarg de segments successius. “Els experiments anteriors amb sòlids s’havien d’aturar després d’intentar establir entrellaçament només unes desenes de vegades, ja que calia esperar que retornés un senyal anunciant-ne l’èxit”, explica Susana Plascencia, investigadora de l’ICFO i coautora de l’estudi. “Amb la nostra proposta, ja no cal esperar el senyal d’èxit (almenys, fins a una certa distància). En lloc d’això, podem utilitzar una altra cel·la de memòria i continuar intentant-ho.” Omplir aquest temps mort amb nous intents podria augmentar la taxa a la qual l’entrellaçament (i, per tant, la informació quàntica) es transfereix a llargues distàncies.
Per tal d’aprofitar plenament el potencial de les formacions proposades de memòries quàntiques amb multiplexació temporal (com són tècnicament anomenades), cal millorar-ne el rendiment (per exemple, en termes d’eficiència i temps d’emmagatzematge), augmentar el nombre de cel·les de memòria i aconseguir emmagatzemar entrellaçament; reptes que els investigadors hauran d’enfrontar pròximament.
En conjunt, aquest estudi representa un pas significatiu cap a l’equivalent quàntic d’una memòria RAM, un dispositiu amb moltes possibles aplicacions en comunicació i computació quàntica que encara romanen obertes.
Referèncias:
M. Teller, S. Plascencia, C. Sastre Jachimska, S. Grandi, and H. de Riedmatten. et al. A solid-state temporally multiplexed quantum memory array at the single-photon level. npj Quantum Inf 11, 92 (2025). DOI: https://doi.org/10.1038/s41534-025-01042-9
M. Teller, S. Plascencia, S. Grandi, and H. de Riedmatten. Quantum storage of qubits in an array of independently controllable solid-state quantum memories. Phys. Rev. X 15, 031053 (2025). DOI: https://doi.org/10.1103/z6lc-qw2d