Un nuevo detector desarrollado por JPL y Caltech podría transformar la forma en que las computadoras cuánticas, ubicadas a miles de millas de distancia, intercambian grandes cantidades de datos cuánticos.

La estación espacial albergará una demostración técnica de comunicaciones cuánticas de "autocuración"
Demostración de tecnología de comunicaciones ópticas en el espacio profundo (DSOC)
Laboratorio de Microdispositivos del JPL

Las computadoras cuánticas prometen operar millones de veces más rápido que las computadoras convencionales. Pero para comunicarse a largas distancias, las computadoras cuánticas necesitarán una red de comunicaciones cuánticas dedicada.

Para ayudar a formar dicha red, los científicos del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA y Caltech han desarrollado un dispositivo que puede contar una gran cantidad de fotones individuales (partículas cuánticas de luz) con una precisión increíble. Al igual que medir gotas de agua individuales mientras son rociadas por una manguera contra incendios, el detector PEACOQ (Performance-Enhanced Array for Counting Optical Quanta) puede medir el momento preciso en que cada fotón lo golpea, dentro de las 100 billonésimas de segundo, a una velocidad de 1,5 mil millones de fotones por segundo. Ningún otro detector ha alcanzado esa tasa.

"Hasta ahora, la transmisión de información cuántica a largas distancias ha sido muy limitada", dijo Ioana Craiciu, miembro del equipo del proyecto PEACOQ, becaria postdoctoral en JPL y autora principal de un estudio que describe estos  resultados. “Una nueva tecnología de detección como PEACOQ, que puede medir fotones individuales con una precisión de una fracción de nanosegundo, permite enviar información cuántica a velocidades más altas y más lejos”.

Red dedicada requerida

Las computadoras convencionales transmiten datos a través de módems y redes de telecomunicaciones haciendo copias de la información como una serie de 1 y 0, también llamados bits. Luego, los bits se transmiten a través de cables, a lo largo de fibras ópticas y a través del espacio a través de destellos de luz o pulsos de ondas de radio. Cuando se reciben, los bits se vuelven a ensamblar para recrear los datos que se transmitieron originalmente.

Las computadoras cuánticas se comunican de manera diferente. Codifican información como bits cuánticos, o qubits, en partículas fundamentales, como electrones y fotones, que no se pueden copiar ni retransmitir sin destruirse. Además de la complejidad, la información cuántica transmitida a través de fibras ópticas a través de fotones codificados se degrada después de solo unas pocas docenas de millas, lo que limita en gran medida el tamaño de cualquier red futura.

Para que las computadoras cuánticas se comuniquen más allá de estas limitaciones, una red cuántica óptica de espacio libre dedicada podría incluir "nodos" espaciales a bordo de satélites que orbitan la Tierra. Esos nodos transmitirían datos generando pares de fotones entrelazados que se enviarían a dos terminales de computadora cuántica a cientos o incluso miles de millas de distancia entre sí en el suelo.

Los pares de fotones entrelazados están tan íntimamente conectados que medir uno afecta inmediatamente los resultados de medir el otro, incluso cuando están separados por una gran distancia. Pero para que estos fotones enredados sean recibidos en tierra por una terminal de computadora cuántica, se necesita un detector altamente sensible como PEACOQ para medir con precisión el tiempo que recibe cada fotón y entregar los datos que contiene.

Plumaje superconductor

El detector en sí es pequeño. Mide solo 13 micrones de ancho y está compuesto por 32 nanocables superconductores de nitruro de niobio en un chip de silicio con conectores que se abren en abanico como el plumaje del mismo detector. Cada nanocable es 10.000 veces más delgado que un cabello humano.

Financiado por el programa Space Communications and Navigation (SCaN) de la NASA   dentro de la  Dirección de Misiones de Operaciones Espaciales de la agencia  y construido por el  Laboratorio de Microdispositivos del JPL , el detector PEACOQ debe mantenerse a una temperatura criogénica de solo un grado por encima del cero absoluto, o menos 458 grados Fahrenheit (menos 272 grados Celsius). Esto mantiene los nanocables en un estado superconductor, que es necesario para que puedan convertir los fotones absorbidos en pulsos eléctricos que transmiten los datos cuánticos.

Aunque el detector debe ser lo suficientemente sensible para fotones individuales, también está diseñado para resistir el impacto de muchos fotones a la vez. Cuando un nanocable en el detector es golpeado por un fotón, momentáneamente es incapaz de detectar otro fotón, un período llamado "tiempo muerto", pero cada nanocable superconductor está diseñado para tener el menor tiempo muerto posible. Además, PEACOQ está equipado con 32 nanocables para que otros puedan tomar el relevo mientras uno está "muerto".

“A corto plazo, PEACOQ se utilizará en experimentos de laboratorio para demostrar las comunicaciones cuánticas a velocidades más altas oa mayores distancias”, dijo Craiciu. "A largo plazo, podría proporcionar una respuesta a la pregunta de cómo transmitimos datos cuánticos en todo el mundo".

Prueba de espacio profundo

Como parte de un esfuerzo más amplio de la NASA para permitir las comunicaciones ópticas en el espacio libre entre el espacio y la tierra, PEACOQ se basa en el detector desarrollado para la demostración de la tecnología de Comunicaciones Ópticas en el Espacio Profundo (DSOC ) de la NASA . DSOC se lanzará con la misión Psyche de la NASA a finales de este año para demostrar, por primera vez, cómo podrían funcionar en el futuro las comunicaciones ópticas de gran ancho de banda entre la Tierra y el espacio profundo.

Si bien DSOC no comunicará información cuántica, su terminal terrestre en el Observatorio Palomar de Caltech en el sur de California requiere la misma sensibilidad extrema para contar los fotones individuales que llegan a través del láser desde el transceptor DSOC mientras viaja a través del espacio profundo.

“Es todo tipo de la misma tecnología con una nueva categoría de detector”, dijo Matt Shaw, quien dirige el trabajo de detectores superconductores del JPL. "Ya sea que ese fotón esté codificado con información cuántica o si queremos detectar fotones individuales de una fuente láser en el espacio profundo, todavía estamos contando fotones individuales".

JPL, una división de Caltech en Pasadena, California, administra DSOC para el  programa de Misiones de Demostración de Tecnología dentro de la Dirección de Misiones de Tecnología Espacial de la NASA y SCaN.

Laboratorio de propulsión a chorro Ian J. O´Neill

, Pasadena, California

818-354-2649

ian.j.oneill@jpl.nasa.gov