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Multiplexed ion-ion entanglement over $1.2$ kilometer fibers

Este artículo presenta la primera demostración de entrelazamiento anunciado mejorado por multiplexación entre dos nodos cuánticos de iones atrapados a través de 1.2 km de fibra, logrando una aceleración de 4.59 veces en la tasa de generación y una fidelidad del 95.9% mediante el uso de 10 modos fotónicos temporales.

Autores originales: Z. B. Cui, Z. Q. Wang, P. Y. Liu, Y. Wang, P. C. Lai, J. X. Shi, Y. D. Sun, Z. C. Tian, H. S. Sun, Y. B. Liang, B. X. Qi, Y. Y. Huang, Z. C. Zhou, Y. K. Wu, Y. Xu, Y. F. Pu, L. M. Duan

Publicado 2026-09-09

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CC BY 4.0

Autores originales: Z. B. Cui, Z. Q. Wang, P. Y. Liu, Y. Wang, P. C. Lai, J. X. Shi, Y. D. Sun, Z. C. Tian, H. S. Sun, Y. B. Liang, B. X. Qi, Y. Y. Huang, Z. C. Zhou, Y. K. Wu, Y. Xu, Y. F. Pu, L. M. Duan

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El sueño de una internet cuántica depende de una única y frágil conexión: la capacidad de vincular dos máquinas distantes para que compartan un estado secreto, un fenómeno conocido como entrelazamiento. Imagine dos monedas que, sin importar lo lejos que estén una de la otra, siempre caen en lados opuestos al ser lanzadas; en el mundo cuántico, las partículas pueden estar vinculadas de esta manera, formando la columna vertebral de tecnologías futuras como la comunicación inhackeable y las potentes computadoras distribuidas. Sin embargo, construir esta red es increíblemente difícil porque la señal que transporta la conexión se debilita y se pierde a medida que viaja a través de cables de fibra óptica, especialmente en largas distancias. Para que estos vínculos funcionen, los científicos deben crear la conexión de forma rápida y fiable antes de que la señal se desvanezca, un desafío que durante mucho tiempo ha limitado la escala de los experimentos cuánticos a configuraciones locales pequeñas.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Tsinghua ha dado ahora un paso significativo hacia adelante al demostrar un método para acelerar este proceso utilizando una técnica llamada multiplexación. Lograron crear un vínculo entrelazado entre dos nodos cuánticos de iones atrapados separados por 1.2 kilómetros de fibra óptica. En su experimento, los científicos utilizaron iones de calcio, que son átomos individuales mantenidos en su lugar por campos electromagnéticos, como los nodos cuánticos. Cada nodo contenía un ion, y los investigadores emplearon una estrategia ingeniosa para superar la baja velocidad de la luz y la baja probabilidad de una conexión exitosa. En lugar de intentar crear el vínculo una sola vez y esperar a ver si funcionaba, enviaron diez intentos rápidos y sucesivos en una sola ronda. Este enfoque les dio efectivamente diez oportunidades de éxito donde anteriormente solo tenían una, acelerando significativamente la tasa a la que se establecía el entrelazamiento.

La configuración involucró dos ubicaciones distintas, llamadas Alice y Bob, situadas a 2 metros de distancia en el laboratorio pero conectadas a una estación de medición central mediante 600 metros de fibra en cada lado, creando un trayecto total de 1.2 kilómetros. El proceso comenzó excitando los iones con pulsos láser, provocando que emitieran fotones, o partículas de luz. Estos fotones viajaron a través de las fibras hasta el centro, donde fueron medidos. Si los detectores en el centro veían un patrón específico de luz, esto señalaba que los dos iones distantes se habían entrelazado. Debido a que la velocidad de la luz limita qué tan rápido la información puede viajar de ida y vuelta, los investigadores tuvieron que esperar a que la señal de confirmación regresara antes de saber si un intento había sido exitoso. Al utilizar diez modos basados en el tiempo, o diez ranuras de tiempo distintas para estos intentos, lograron aumentar la velocidad de generación de estas conexiones por un factor de 4.59 en comparación con el uso de un solo intento a la vez.

Los resultados no solo fueron más rápidos; también fueron notablemente precisos. El equipo midió la calidad del entrelazamiento y encontró una fidelidad del 95.9 por ciento, lo que significa que la conexión estaba extremadamente cerca del estado teórico perfecto. Este nivel de precisión es notable porque se logró sobre una distancia mucho mayor que los récords anteriores para este tipo de sistema, que se habían limitado a solo unos pocos cientos de metros. Los investigadores también confirmaron que los iones podían retener este estado cuántico durante cientos de milisegundos, una duración lo suficientemente larga como para realizar operaciones adicionales. Esta durabilidad es crucial para escalar la red, ya que permite tiempo para que el sistema procese información y corrija errores.

Este trabajo representa la primera vez que tal multiplexación se ha utilizado para mejorar el entrelazamiento entre iones atrapados a través de un enlace de fibra largo. Si bien experimentos previos con otros tipos de materiales habían mostrado aumentos de velocidad similares, este estudio demuestra que el método funciona para los iones, que son conocidos por su alta estabilidad y precisión. Los investigadores utilizaron un diseño de tipo dual para sus nodos, separando la parte del ion utilizada para la comunicación de la parte utilizada para la memoria, una característica que les permitirá añadir más iones y cúbits en el futuro sin interrumpir el sistema. Al combinar esta arquitectura con la técnica de multiplexación, el equipo ha creado un bloque de construcción robusto para una red cuántica de mayor escala. Los hallazgos sugieren que, con refinamientos adicionales para reducir el ruido técnico, como la inestabilidad del láser o los errores de fase, la fidelidad podría potencialmente superar el 99 por ciento, acercando la visión de una internet cuántica funcional y a gran escala un paso más a la realidad.

Resumen Técnico: Entrelazamiento de Iones-Iones Multiplexado sobre Fibras de 1.2 Kilómetros

Declaración del Problema
La realización de redes y repetidores cuánticos a gran escala depende del establecimiento eficiente y de alta fidelidad del entrelazamiento anunciado (heralded) entre nodos cuánticos remotos. Un cuello de botella principal en este proceso es la eficiencia limitada en la generación de entrelazamiento materia-materia a largas distancias, particularmente porque la tasa de intentos está fundamentalmente limitada por el tiempo de ida y vuelta de la comunicación ( $L/c$ ) en fibras ópticas. Si bien se han propuesto estrategias de multiplexación para acelerar la distribución de entrelazamiento mediante el aumento de los intentos de entrelazamiento simultáneos, las demostraciones experimentales previas de entrelazamiento materia-materia mejorado por multiplexación se restringieron a sistemas de estado sólido. Además, los récords existentes para la fidelidad de entrelazamiento materia-materia a distancias de fibra más allá de la escala de laboratorio (superiores a 520 m) se habían limitado aproximadamente al 90% en todas las plataformas físicas. Los sistemas de iones atrapados, a pesar de poseer récords de puertas de alta fidelidad y largos tiempos de coherencia, aún no habían demostrado el entrelazamiento multiplexado sobre distancias de fibra extendidas.

Metodología
Los autores construyeron una red cuántica que consta de dos nodos remotos, Alice y Bob, cada uno con un único ion de $^{40}\text{Ca}^+$ atrapado. Los nodos estaban separados físicamente por 2 metros pero conectados mediante fibras ópticas que totalizan 1.2 km (600 m por nodo hacia una estación de medición central).

Codificación de Tipo Dual: El sistema utiliza un esquema de codificación de tipo dual para separar el subespacio del "qubit de comunicación" (que involucra los estados $|S_{1/2}\rangle$ , $|D_{3/2}\rangle$ y $|P_{1/2}\rangle$ ) del subespacio del "qubit de memoria" (que involucra el $|D_{5/2}\rangle$ ). Este aislamiento espectral permite que las operaciones disipativas (enfriamiento, bombeo, excitación de entrelazamiento y detección) ocurran en el subespacio de comunicación sin perturbar la información cuántica almacenada en el subespacio de memoria.
Generación de Entrelazamiento Ion-Fotón: El proceso comienza con el bombeo óptico para inicializar el ion. Un pulso láser de 397 nm de picosegundos excita el ion al estado $|P_{1/2}\rangle$ . El ion decae espontáneamente al nivel $|D_{3/2}\rangle$ con una baja relación de ramificación del 6%, emitiendo un fotón de 866 nm. La polarización de este fotón está entrelazada con el estado del ion. Pulsos Raman posteriores transfieren el entrelazamiento al subespacio del qubit de memoria ( $|D_{5/2}\rangle$ ).
Esquema de Multiplexación: Para superar la baja relación de ramificación y la latencia impuesta por la larga fibra, los autores emplearon multiplexación temporal. En lugar de un único intento de excitación por ciclo, ejecutaron un bloque de 30 rondas, donde cada ronda consistía en 10 ciclos sucesivos de "excitación-bombeo". Esto utilizó 10 modos fotónicos temporales. Crucialmente, el bombeo óptico intermedio se realizó utilizando únicamente el láser de 397 nm para preservar la población en el nivel $|D_{3/2}\rangle$ si una excitación previa fue exitosa, preservando así la población para aumentar la relación de ramificación efectiva.
Anuncio (Heralding) y Retroalimentación (Feedforward): Los fotones de ambos nodos se transmitieron a una estación central para una Medición de Estado de Bell (BSM) de dos fotones. Un microprocesador ("QNetWorker") analizó los clics de los detectores para identificar el patrón de coincidencia específico correspondiente al estado de Bell $|\Psi^+\rangle$ . Tras la detección, se envió una señal de anuncio de vuelta a los nodos locales a través de la misma longitud de fibra para simular la latencia de ida y vuelta realista. Los controladores locales aplicaron entonces pulsos Raman para finalizar el entrelazamiento ion-ion basándose en la señal de anuncio.

Contribuciones Clave y Resultados

Primer Entrelazamiento de Iones Atrapados Multiplexado: Este trabajo presenta la primera realización experimental del entrelazamiento anunciado mejorado por multiplexación entre dos nodos de red de iones atrapados.
Récord de Distancia: El experimento estableció con éxito el entrelazamiento sobre 1.2 km de fibra, superando el récord previo de 520 m para iones atrapados.
Mejora de la Eficiencia: Al multiplexar 10 modos fotónicos temporales, el sistema logró una aceleración de 4.59 veces en la generación de entrelazamiento ion-ion en comparación con el caso de un solo modo. El factor de mejora se observó que casi se satura a los 10 modos debido a la dinámica de población de los niveles $|S_{1/2}\rangle$ y $|D_{3/2}\rangle$ .
Alta Fidelidad: El experimento logró una fidelidad de entrelazamiento ion-ion de 95.9 ± 1.5% sobre la distancia de 1.2 km. Esto establece un nuevo récord para la fidelidad de entrelazamiento materia-materia anunciado a longitudes de fibra extendidas en todas las plataformas físicas y es competitivo con las configuraciones a escala de laboratorio.
Escalabilidad del Sistema: Los autores demostraron una arquitectura de tipo dual que, aunque utiliza un solo ion por nodo en este experimento, está intrínsecamente diseñada para soportar el escalamiento futuro a múltiples qubits por nodo y redes de múltiples nodos.

Significado
El artículo establece un componente crítico para futuras redes cuánticas a gran escala al demostrar que la multiplexación puede superar eficazmente las limitaciones de eficiencia en la distribución de entrelazamiento a larga distancia en sistemas de iones atrapados. La combinación de alta fidelidad (95.9%) y una aceleración significativa (4.59x) sobre un enlace de escala de un kilómetro valida la viabilidad de los iones atrapados para repetidores cuánticos prácticos. Los autores señalan que la infidelidad actual se atribuye principalmente a imperfecciones técnicas (desintonización Raman, errores de fase, inestabilidad del láser, etc.), más que a límites fundamentales, lo que sugiere que la optimización adicional podría elevar las fidelidades por encima del 99%. La arquitectura demostrada allana el camino para la integración de esquemas de multiplexación adicionales (como el transporte de iones y arreglos de fibra) y el escalamiento a decenas de kilómetros mediante la conversión de frecuencia cuántica, apoyando finalmente tareas avanzadas como la purificación de entrelazamiento y nodos de repetidores cuánticos plenamente funcionales.

Resumen Técnico: Entrelazamiento de Iones-Iones Multiplexado sobre Fibras de 1.2 Kilómetros

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