Les xarxes quàntiques de tres nodes són excepcionalment resistents a la pèrdua de fotons
En la major part de futures tecnologies quàntiques, com la detecció o la computació quàntica distribuïdes, cal connectar més de dues estacions entre si, formant una xarxa. Per això, és fonamental desenvolupar mètodes capaços de certificar la presència de correlacions quàntiques sense anàleg clàssic en condicions experimentals realistes que vagin més enllà de l’escenari de dues parts.
En un article recentment publicat a Physical Review Letters, investigadors de l’ICFO han demostrat que els estats fotònics d’alta dimensió ofereixen una robustesa excepcional enfront de la pèrdua de fotons en la xarxa triangular a l’hora de certificar correlacions purament quàntiques. A més, han tancat teòricament l’anomenada llacuna de detecció, obrint el camí a futurs estudis tant en ciència fonamental com en tecnologies quàntiques emergents.
Una de les característiques més sorprenents de la teoria quàntica és l’entrellaçament. Aquest dona lloc a correlacions més fortes que aquelles assolibles amb recursos clàssics i, en aquest sentit, a una teoria física no local. Els tests de Bell s’han utilitzat durant dècades quan només dues parts hi estan involucrades per revelar correlacions quàntiques entre elles. Tanmateix, aquestes proves depenen de les mesures que les parts decideixin realitzar, de manera que aquestes s’han de seleccionar aleatòriament. Per contra, en els tests de Bell que involucren més de dos nodes connectats en una xarxa, les eleccions de les mesures (i, per tant, la noció d’aleatorietat) no són necessàries. Això és especialment convenient, ja que la major part de les tecnologies quàntiques futures requeriran la connexió de diverses estacions.
Igual que ocorria amb els tests de Bell estàndard en els seus inicis, els experiments actuals enfocats a demostrar la no-localitat en xarxes presenten certes llacunes o loopholes, debilitats en el disseny experimental que poden permetre una explicació clàssica de les correlacions observades. Una d’aquestes és la llacuna de detecció: de vegades, massa fotons entrellaçats no arriben als detectors o passen sense ser detectats, fet que obliga els científics a descartar aquelles rondes (o a aplicar un postprocessat similar). No obstant això, si es descarten rondes sense prou cura, s’obre la possibilitat que les dades restants puguin explicar-se a través d’un model clàssic.
Ara, el Dr. Tamás Kriváchy i en Martin Kerschbaumer de l’ICFO han demostrat la no-localitat quàntica en una xarxa triangular sota condicions realistes de soroll, oferint així una manera de tancar la llacuna de detecció. Utilitzant estats fotònics d’alta dimensió, aquest estudi publicat a Physical Review Letters mostra que les xarxes triangulars no són tan fràgils com es pensava. De fet, són excepcionalment robustes davant la pèrdua de fotons, fins i tot quan s’empren fonts imperfectes de parells entrellaçats.
Una xarxa triangular consisteix en tres fonts independents que envien estats entrellaçats a tres estacions, formant un bucle tancat. D’aquesta manera, cada estació rep dues “meitats” de dos estats entrellaçats provinents de fonts diferents. Totes les estacions realitzen aleshores una mesura local, enregistren els resultats i analitzen si les correlacions observades són genuïnament quàntiques.
Els investigadors de l’ICFO han demostrat que certs estats fotònics entrellaçats d’alta dimensió, coneguts com a estats NOON, poden tolerar pèrdues sorprenentment altes. “Els estats NOON consisteixen en una superposició quàntica de N fotons que van cap a un costat i 0 cap a l’altre, i 0 fotons que van cap a un costat i N cap a l’altre”, explica el Dr. Tamás Kriváchy, primer autor de l’article. “Vam veure que la no-localitat persisteix fins i tot quan hi ha més d’un 50% de probabilitat de pèrdua de fotons, molt per sobre del requisit experimental del 20%”, afegeix. És important destacar que això es compleix fins i tot quan el nombre de fotons implicats en l’estat NOON és només de dos, cosa que ja es pot realitzar experimentalment avui dia.
Segons Kriváchy, “el següent pas clau seria dur a terme un experiment de Bell lliure de llacunes en la xarxa triangular”. A més dels coneixements fonamentals que proves de no-localitat en xarxes més rigoroses i fiables podrien aportar, aquest avenç obriria un nou camí per al desenvolupament de futures tecnologies de comunicació i computació quàntica, on la distribució robusta de l’entrellaçament en xarxes és essencial.
Referencia:
Tamás Kriváchy, Martin Kerschbaumer, Closing the Detection Loophole in the Triangle Network with High-Dimensional Photonic States, Phys. Rev. Lett. 135, 160803 (2025).
DOI: https://doi.org/10.1103/nwzw-tqzp
Agradecimientos:
We acknowledge financial support from the Government of Spain (Severo Ochoa CEX2019-000910-S and FUNQIP), Fundació Cellex, Fundació Mir-Puig, Generalitat de Catalunya (CERCA program). T.K. additionally acknowledges funding from the Swiss National Science Foundation (project 214458) and from the Austrian Federal Ministry of Education via the Austrian Research Promotion Agency–FFG (flagship project FO999897481, funded by EU program NextGenerationEU). M.K. additionally acknowledges funding from the Erasmus+ Programme of the European Union through an Erasmus+ traineeship grant, as well as from the Gesellschaft für Forschungsförderung Niederösterreich m.b.H.