telecomunicaciones

Característica del 31 de julio de 2023

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por Thamarasee Jeewandara, Phys.org

La memoria cuántica que depende de la integración de bandas cuánticas es un componente clave utilizado para desarrollar redes cuánticas que sean compatibles con infraestructuras de comunicación de fibra. Los ingenieros cuánticos y los especialistas en TI aún tienen que crear una red de este tipo con gran capacidad para formar una memoria cuántica fotónica multimodo integrada en la banda de telecomunicaciones.

En un nuevo informe en Science Advances, Xueying Zhang y un equipo de investigación en ciencia electrónica, física y tecnología de la información describieron el almacenamiento multimodo integrado en fibra de un solo fotón en la banda de telecomunicaciones en un chip escrito con láser.

El dispositivo de almacenamiento hecho de niobato de litio dopado con erbio (Er3+) (Er3+:LiNbO3) dopado con fibra trenzada presentó un sistema de memoria integrado con componentes en chip integrados en fibra de banda de telecomunicaciones. Los resultados del estudio destacan un camino para que surjan futuras redes cuánticas, basadas en dispositivos fotónicos integrados.

Los estados cuánticos de la luz se pueden mapear de manera reversible en la materia para crear memorias cuánticas fotónicas, ideales para la comunicación cuántica a larga distancia a través de redes cuánticas distribuidas.

Los físicos han integrado dispositivos de memoria cuántica fotónica basados ​​en guías de ondas ópticas con otros dispositivos cuánticos integrados, como fuentes de luz cuánticas, circuitos fotónicos y detectores de fotón único para diseñar arquitecturas cuánticas multifuncionales interconectadas. En este trabajo, Zhang et al. desarrolló un dispositivo de almacenamiento multimodo integrado en banda de telecomunicaciones en una guía de ondas basada en niobato de litio.

Diseñaron la guía de ondas escrita con láser con micromecanizado láser de femtosegundo directamente acoplado a un cable flexible de fibra monomodo mediante el uso de un colimador óptico a cada lado de la configuración para facilitar la compatibilidad con el sistema de comunicación de fibra.

El equipo desarrolló un sistema de memoria cuántica en un chip utilizando un protocolo de peine de frecuencia atómica. La integración de un peine de frecuencia atómica de 4 GHz de ancho permitió al equipo realizar experimentalmente un sistema de almacenamiento cuántico multimodo, allanando el camino para formar redes cuánticas integradas con memoria compatible con la infraestructura de comunicación por fibra.

Zhang et al. diseñó un dispositivo de almacenamiento utilizando una guía de ondas tipo III fabricada en una oblea de cristal de niobato de litio dopado con erbio mediante micromecanizado con láser de femtosegundo.

El cristal en masa del material mantuvo una concentración de iones dopantes en un porcentaje mínimo y permitió el acoplamiento entre guías de ondas escritas con láser y fibras monomodo. Los científicos pegaron el cristal de niobato de litio dopado en un disipador de calor de cobre con dos colimadores ópticos con cables flexibles de fibra monomodo.

Colocaron el dispositivo integrado en fibra en un refrigerador de dilución y observaron una frecuencia de transmisión óptica total del 26 por ciento en toda la configuración criogénica.

Los experimentos de almacenamiento multimodo consistieron en generar fotones individuales para preparar el sistema de medición y memoria cuántica basado en peine de frecuencia atómica. El equipo generó pares de fotones correlacionados mediante generación de segundo armónico en cascada y procesos de conversión descendente paramétricos espontáneos en el módulo de guía de ondas de niobato de litio bombeado por una serie de pulsos de luz.

Para el almacenamiento monomodo, el equipo utilizó un pulso de láser único con una duración de 300 picosegundos. Los científicos detectaron fotones en la instalación mediante detectores de fotón único de nanocables superconductores. Zhang et al. analizó las señales de detección de este instrumento mediante el uso de un convertidor de tiempo a digital.

Zhang y sus colegas colocaron los iones de erbio (Er3+) en una estructura de absorción periódica, como el peine de frecuencia atómica con una separación entre dientes de 5 MHz, lo que correspondía a un tiempo de almacenamiento de 200 nanosegundos. El equipo demostró el almacenamiento de luz no clásica con un producto de gran ancho de banda temporal.

Luego enviaron los fotones de señal a la memoria del peine de frecuencia atómica y calcularon la eficiencia del sistema. Basándose en la eficiencia de transmisión del dispositivo de memoria y el filtrado espectral de los fotones de entrada, calcularon la eficiencia del almacenamiento interno. Los resultados indicaron que la memoria cuántica del peine de frecuencia atómica había mantenido la pureza de fotón único y la pureza espectral.

Estos resultados llevaron a Zhang et al. estableciendo una memoria cuántica en el chip con un tiempo de almacenamiento de 200 nanosegundos, mientras establece una diafonía insignificante en el instrumento.

De esta manera, Xueying Zhang y sus colegas demostraron una memoria cuántica multimodo integrada basada en una guía de ondas de niobato de litio dopada con erbio escrita con láser. El equipo logró un producto tiempo-ancho de banda de 800, con un ancho de banda de almacenamiento de 4 GHz y un tiempo de almacenamiento de 200 nanosegundos.

Estos resultados en el almacenamiento cuántico multimodo de banda ancha abrirán el camino para generar una red cuántica de alta velocidad. Aunque estos resultados son significativos, los investigadores creen que se necesitan varias actualizaciones para diseñar un dispositivo funcional que facilite las redes cuánticas.

El enfoque actual integra la confiabilidad de un dispositivo integrado en fibra compatible con la infraestructura de telecomunicaciones de fibra para ofrecer componentes prometedores escritos con láser con propiedades de almacenamiento multiplexado de banda ancha. El equipo de investigación espera combinar fuentes de pares de fotones con memorias integradas para realizar un protocolo repetidor cuántico de alta velocidad para crear una red cuántica a gran escala.

Estos resultados ayudarán a realizar un sistema cuántico con gran capacidad, escalabilidad y compatibilidad de comunicación por fibra para el impacto futuro y la construcción de una red cuántica global.

Más información: Xueying Zhang et al, Memoria cuántica fotónica multimodo integrada en banda de telecomunicaciones, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adf4587

Christoph Simon, Hacia una red cuántica global, Nature Photonics (2017). DOI: 10.1038/s41566-017-0032-0

Información de la revista:Fotónica de la naturaleza, avances científicos.

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