La plataforma OPX+ de Quantum Machines permite romper el cuello de botella del Qubit de entrelazamiento mediante multiplexación

Las redes cuánticas, en las que el entrelazamiento se distribuye a través de nodos distantes, prometen revolucionar la computación, la comunicación y la detección cuánticas. Sin embargo, uno de los principales obstáculos ha sido la escalabilidad, ya que la tasa de entrelazamiento en la mayoría de los sistemas existentes está limitada por un diseño de red de un solo qubit por nodo. Un nuevo estudio, dirigido por el profesor A. Faraon en Caltech y realizado por A. Ruskuc et al., publicado recientemente en Nature (ref: 1-2), presenta una solución innovadora: el entrelazamiento multiplexado mediante emisores múltiples en nodos de redes cuánticas. Aprovechando iones de tierras raras acoplados a cavidades nanofotónicas, los investigadores de Caltech y Stanford han demostrado una plataforma escalable que mejora significativamente las tasas de entrelazamiento y la eficiencia de la red. Veamos con más detalle los dos retos clave que han afrontado -la multiplexación para aumentar las velocidades de entrelazamiento y las estrategias de control dinámico para garantizar la indistinguibilidad de los qubits- y cómo los han superado.

Romper el cuello de botella del entrelazamiento mediante la multiplexación

Uno de los mayores retos a la hora de ampliar las redes cuánticas es el cuello de botella de la tasa de entrelazamiento, que surge debido a las limitaciones fundamentales de la comunicación cuántica a larga distancia. Cuando dos qubits distantes se entrelazan mediante la interferencia de fotones, la velocidad de distribución del entrelazamiento suele estar limitada por la velocidad de la luz y la distancia de separación entre nodos. En los sistemas típicos con un solo qubit por nodo, esta tasa se escala como c/L (donde c es la velocidad de la luz y L es la distancia entre nodos), lo que lleva a largos tiempos de espera entre eventos de entrelazamiento exitosos. Esto limita mucho la escalabilidad de las redes cuánticas.

Para superar esta limitación, los investigadores de este estudio introdujeron una arquitectura de red cuántica multiplexada, en la que múltiples qubits -cada uno de ellos un ion de tierras raras espectralmente distinto- se alojan dentro de un único nodo. Esto permite realizar múltiples intentos de entrelazamiento simultáneamente, aumentando la tasa a Nc/L, donde N es el número de qubits por nodo. Al aumentar el número de emisores por nodo, el equipo consiguió multiplicar casi por dos la tasa de entrelazamiento, lo que demuestra que la multiplexación es una vía viable hacia la comunicación cuántica de alto rendimiento.

Feedforward en tiempo real para el entrelazamiento de iones de tierras raras

Los qubits de espín direccionables ópticamente han surgido como principales candidatos para desarrollar redes de repetidores cuánticos. Sin embargo, la escalabilidad de estas redes más allá de las configuraciones actuales de pocos nodos requiere mejoras radicales en las eficiencias y fidelidades de los enlaces cuánticos. Los emisores de estado sólido son especialmente prometedores debido a los tiempos de coherencia extremadamente largos de sus espines anfitriones (en este trabajo demuestran tiempos T2 del estado de Bell de más de 9 ms, con desacoplamiento dinámico), y al potencial de integración nanofotónica.

Por otra parte, las variaciones espaciales y temporales inherentes a los cristales anfitriones presentan retos formidables, como los desplazamientos estáticos y las fluctuaciones dinámicas de las frecuencias de transición óptica. De hecho, si los emisores no son perfectamente idénticos, los fotones emitidos no serán indistinguibles. Esto da lugar a fotones con frecuencias ligeramente diferentes que no interferirán entre sí. El equipo de investigación del Instituto de Tecnología de California presenta un enfoque escalable que aprovecha la detección de fotones por borrado de frecuencia junto con los Circuitos Cuánticos Adaptativos. En este caso, la plataforma de control OPX de Quantum Machines permitió a los investigadores implementar las operaciones feed-forward condicionadas por la medición. Este protocolo entra en la categoría de Tiempo Real Cuántico (QRT) (3), es decir, una operación condicional basada en mediciones para la que la latencia de realimentación clásica debe compararse con (y ser significativamente más corta que) el tiempo de coherencia de los qubits, algo nada fácil para los sistemas de control clásicos.

«El sistema de control OPX de Quantum Machines ha sido una tecnología fundamental para nuestra investigación. Ofrece una flexibilidad y una facilidad de uso sin precedentes para experimentos que requieren un control cuántico feedforward en tiempo real. Con el etiquetado de tiempo de alta resolución integrado, esta plataforma es una obviedad para experimentos avanzados de redes cuánticas» -Prof. Andrei Faraon T.J. Watson Laboratory of Applied Physics, California Institute of Technology

Optimización del entrelazamiento: Compensación en tiempo real para nodos cuánticos

Uno de los principales retos que plantea el uso de múltiples qubits dentro de un mismo nodo es que cada qubit (ion) tiene una frecuencia de transición óptica diferente debido a ligeras variaciones en su entorno local. Aunque esta distinguibilidad espectral es lo que permite la multiplexación, también introduce fluctuaciones de frecuencia que degradan la fidelidad del entrelazamiento. El estado cuántico de cada ion se anuncia mediante la detección de un único fotón, pero debido a la naturaleza estocástica de los tiempos de emisión de los fotones, estas variaciones de frecuencia introducen desplazamientos de fase aleatorios entre los qubits entrelazados. Para mantener un entrelazamiento de alta fidelidad, los investigadores emplearon el control cuántico en tiempo real, una técnica que corrige dinámicamente estos desplazamientos de fase basándose en el tiempo de emisión de fotones medido. Aquí es donde el controlador OPX de Quantum Machines desempeñó un papel crucial.

Iones de tierras raras: Catalizadores de la evolución de la comunicación cuántica

En esencia, esta investigación no sólo aporta una solución práctica a las limitaciones universales impuestas por la falta de uniformidad y la inestabilidad de los emisores de estado sólido, sino que también muestra el potencial de los iones de tierras raras como plataforma escalable para la futura Internet cuántica. A medida que nos adentremos en el reino de las tecnologías cuánticas, estos avances pioneros sin duda configurarán el panorama de la comunicación, la computación y mucho más.

¿Quiere saber cómo organizar un experimento similar?

¿Está preparada su plataforma para aprovechar la retroalimentación basada en mediciones y la retroalimentación ejecutada en tiempo real? Póngase en contacto con nosotros para obtener más información sobre los controladores híbridos OPX.

Fuente: Blog de Quantum Machines