Una memòria quàntica de reenfasament d'espí per a fotons individuals

Constantment ens enviem informació entre nosaltres, transmetent zeros i uns a través d'una xarxa enorme d'ordinadors i dispositius connectats. Actualment, els científics intenten estendre aquest concepte tan familiar de l'internet a l'àmbit quàntic, tot buscant una manera eficient d'intercanviar informació quàntica en lloc de clàssica, qbits en comptes de bits. La motivació darrere d'aquesta recerca no és només la curiositat científica. Els qbits obren noves possibilitats a l’hora de processar informació, ja que poden ser un 0, un 1, o qualsevol superposició d'ambdós. A més, poden entrellaçar-se, mostrant un grau de correlació que simplement és inaccessible per als bits clàssics.

Un element clau per fer possible la internet quàntica és el repetidor quàntic, una arquitectura dissenyada per distribuir entrellaçament a llargues distàncies que, alhora, requereix memòries quàntiques per funcionar. Aquestes han de ser capaces de conservar un estat quàntic durant un període de temps prou llarg per sincronitzar mesures entre diferents segments de la xarxa i, així, establir amb èxit l'entrellaçament.

Els investigadors de l'ICFO Alberto Rodríguez Moldes, el Dr. Félicien Appas, en Jonathan Hänni, la Dra. Jelena Rakonjac, i el Dr. Samuele Grandi, dirigits pel Prof. ICREA Hugues de Riedmatten, han fet ara un pas important en aquesta direcció. Implementant l'anomenat protocol de reenfasament d'espí, han demostrat que les memòries quàntiques d'estat sòlid —candidates prometedores per construir xarxes quàntiques gràcies a la seva alta eficiència, la seva capacitat per emmagatzemar entrellaçament i les seves propietats de multiplexació— poden emmagatzemar fotons individuals durant més temps del que s'havia aconseguit fins ara. Aquests resultats, publicats a Physical Review Letters i obtinguts en el marc de la Quantum Internet Alliance (QIA), ens apropen una mica més a la internet quàntica.

El desfasament, el principal obstacle a l'hora d'emmagatzemar fotons

En l'experiment presentat, l'equip va generar primer un parell de fotons entrellaçats. Un tenia una longitud d'ona de telecomunicacions, compatible amb la fibra òptica per a la seva distribució a llarga distància; l'altre era compatible amb la memòria quàntica, un cristall dopat amb ions de praseodimi i refredat a 3 kèlvins en un criòstat. Allà es va implementar el conegut protocol de Pinta de Freqüències Atòmiques (AFC, per les seves sigles en anglès).

En el protocol AFC, els àtoms del cristall absorbeixen col·lectivament el fotó entrant de manera que un d'ells s'excita a un nivell d'energia superior, creant així una excitació atòmica deslocalitzada entre tots els àtoms. Abans que puguin reemetre el fotó de forma natural, s’envia un pols òptic de control per transferir l'excitació col·lectiva a l'estat d'espí, un nivell que no emet llum, amb la qual cosa s'atura l'emissió i s'emmagatzema el fotó. Més tard, un segon pols de control retorna el conjunt a l'estat excitat, provocant l'emissió d'un fotó que transporta la mateixa informació que l'original.

El problema és que, a la pràctica, l'excitació col·lectiva no pot romandre indefinidament en l'estat d'espí. Com que l'entorn cristal·lí és lleugerament diferent per a cada ió, la superposició inicial es desfasa i perd coherència. Si el temps d'emmagatzematge és massa llarg, les propietats quàntiques del fotó emès es degraden i la informació es perd pel camí.

El protocol de reenfasament d'espí per emmagatzemar fotons individuals amb correlacions quàntiques

Aquí és on entra en joc el reenfasament d'espí, un mecanisme que contraresta aquests efectes de decoherència. Consisteix a enviar una sèrie de polsos de radiofreqüència que inverteixen la fase que cada ió ha acumulat després d'un temps determinat. A continuació, només cal esperar el mateix període per tal que la nova fase acumulada compensi la que es va invertir, restaurant així l'excitació col·lectiva d'espí.

L'equip va enviar, per tant, múltiples polsos de radiofreqüència per controlar amb precisió quan aquesta seqüència d'"inversió" i "espera" reenfasaria realment l'excitació col·lectiva. Arribats a aquest punt, van enviar el segon pols de control i van dur a terme la lectura de la memòria quàntica. Els investigadors de l'ICFO van aconseguir així emmagatzemar fotons individuals durant 180 microsegons (el període més llarg registrat per a aquest tipus de memòria), la qual cosa equival a una distància de fibra de més de 30 km. "En el futur, es podran aconseguir temps d'emmagatzematge encara més llargs aplicant petits camps magnètics a la memòria quàntica", diu l’Alberto Rodríguez Moldes, primer autor de l'article.

Cal destacar que els investigadors van dur a terme l'experiment utilitzant llum quàntica, i van demostrar la presència de correlacions quàntiques entre la memòria quàntica de reenfasament d'espí i el fotó de telecomunicacions. "El reenfasament d'espí ja s'havia demostrat en el passat amb llum d'entrada clàssica, però els nostres resultats mostren que es pot estendre a la quàntica", explica el professor ICREA Hugues de Riedmatten, investigador principal de l'estudi. "El nostre esquema, doncs, fa de les memòries quàntiques dopades amb praseodimi una de les principals candidates per implementar i escalar les futures xarxes quàntiques."

Referència:

Rodríguez-Moldes, A. E., et. al., Long-lived telecom-heralded single-photon storage in an absorptive spin-rephased quantum memory, Phys. Rev. Lett. (2026)

DOI: https://doi.org/10.1103/ftkb-pkvp

Agraïments:

This project received funding from: Gordon and Betty Moore Foundation (GBMF7446 to H. d. R); Agència de Gestió d’Ajuts Universitaris i de Recerca; Centres de Recerca de Catalunya; Fundació Privada MIRPUIG; Fundación Cellex; Ministerio de Ciencia e Innovación with funding from European Union NextGeneration funds (MCIN/AEI/10.13039/501100011033, PRTRC17.I1); Agencia Estatal de Investigación (PID2023-147538OB-I00, Severo Ochoa CEX2024-001490-S); European Union research and innovation program within the Flagship on Quantum Technologies through Horizon Europe project QIA-Phase 1 under grant agreement no. 101102140 and from the Secretariat of Digital Policies of the Government of Catalonia - G.A. GOV/51/2022. F.A. acknowledge funding from the European Union’s Horizon 2022 research and innovation program under the Marie Sklodowska-Curie grant agreements No 101104148 (IQARO). S.G. acknowledges funding from “la Caixa” Foundation (ID 100010434; fellowship code LCF/BQ/PR23/11980044). J.H. acknowledges funding from the “Secretaria d’Universitats i Recerca del Departament de Recerca i Universitats de la Generalitat de Catalunya” under grant.