Long-lived quantum memories with rare-earth ions doped in crystals

Imagina un mundo donde la información no se transporta mediante corrientes eléctricas en cables, sino mediante partículas individuales de luz. Estas partículas, conocidas como fotones, son los mensajeros ideales para un nuevo tipo de internet que promete una seguridad inquebrantable y una potencia de cálculo sin precedentes. Sin embargo, la luz tiene un defecto fatal: no puede detenerse. Una vez que un fotón es enviado por un cable de fibra óptica, viaja hasta que se pierde o es absorbido. No puede esperar. Esto hace que la construcción de una red global sea imposible, porque las señales se debilitan con la distancia y, a diferencia de una señal tradicional que puede ser copiada y amplificada, una señal cuántica no puede ser copiada sin destruir su delicada información. Para resolver esto, los científicos necesitan una forma de atrapar un fotón volador, mantenerlo quieto y liberarlo más tarde exactamente como era. Este dispositivo se llama memoria cuántica. Actúa como un botón de pausa para la luz, permitiendo que la red sincronice sus operaciones y extienda su alcance a través de los continentes.

Durante años, los investigadores han buscado el material perfecto para servir como este botón de pausa. Necesitaban algo sólido, fácil de construir y capaz de mantener un estado cuántico durante mucho tiempo sin que este se desvanezca. Un candidato prometedor ha surgido del mundo de los cristales: los iones de tierras raras. Estos son átomos de elementos como el europio o el praseodimio que han sido incrustados en una red cristalina. Lo único especial de estos átomos es que sus capas externas actúan como un escudo, protegiendo a sus electrones internos del entorno ruidoso del cristal. Esta protección les permite retener su estado cuántico durante períodos sorprendentemente largos. Sin embargo, incluso con este escudo natural, el entorno sigue interfiriendo. Pequeñas fluctuaciones en los campos magnéticos, causadas por el movimiento aleatorio de los átomos en el cristal o el propio campo magnético de la Tierra, provocan que la información almacenada se desordene y desaparezca.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China ha dado ahora un gran paso adelante en el control de esta interferencia. En una revisión exhaustiva de experimentos recientes, describen cómo los investigadores han logrado extender la vida de estas memorias cuánticas de segundos a minutos, y en algunos casos, a horas. La clave de este éxito reside en dos estrategias ingeniosas. Primero, identificaron una intensidad de campo magnético específica donde los átomos se vuelven naturalmente inmunes al ruido magnético. Es como si los átomos encontraran un "punto ideal" donde el empuje y el tirón magnéticos se cancelan perfectamente. Segundo, cuando los átomos comienzan a desviarse, los investigadores aplican una serie rápida de pulsos de radiofrecuencia. Estos pulsos actúan como un suave empujón, realineando constantemente los átomos antes de que pierdan el rumbo, congelando eficazmente la información en su lugar.

Los resultados de este trabajo se miden de tres formas distintas, cada una de las cuales representa un nivel diferente de dificultad. La primera medida es el "tiempo de coherencia de espín", que es simplemente cuánto tiempo pueden mantener los átomos su alineación cuántica antes de empezar a separarse. Utilizando cristales dopados con iones de europio y aplicando el punto ideal magnético junto con los pulsos de realineación, los investigadores lograron un tiempo de coherencia récord de casi seis horas. Esto significa que los átomos permanecieron sincronizados durante una duración mucho mayor que cualquier experimento previo con este tipo de material.

La segunda medida es el "tiempo de almacenamiento de luz". Esta es la duración durante la cual un haz de luz real puede ser capturado, almacenado como una vibración dentro de los átomos y luego liberado nuevamente como luz. En experimentos anteriores con iones de praseodimio, los científicos lograron almacenar luz durante unos 42 segundos. Al cambiar a los cristales de europio, que son más estables, y utilizar un método de almacenamiento diferente que se basa en un patrón específico de niveles de energía atómica, los investigadores extendieron este tiempo a más de 52 minutos. Demostraron que un pulso de luz podía ser retenido durante casi una hora y luego recuperado con su patrón de onda intacto, demostrando que la información no se había desordenado.

El desafío más difícil, y el que nos acerca más a una internet cuántica funcional, es el "tiempo de almacenamiento cuántico". Esto implica almacenar no solo un haz brillante de luz, sino una sola partícula de luz, o un solo fotón. Almacenar un solo fotón es increíblemente difícil porque el proceso debe ser tan eficiente y silencioso que no se añada ruido extra, o el fotón individual se perderá en la estática. Los intentos previos lucharon por mantener un solo fotón durante más de unos pocos milisegundos. Sin embargo, combinando el punto ideal magnético, los pulsos de realineación y un nuevo método que evita la creación de ruido extra durante el proceso de almacenamiento, los investigadores liderados por Lv et al. lograron almacenar entradas de nivel de fotón único durante más de 27 segundos. A esta duración, el fotón almacenado retuvo su naturaleza cuántica, demostrando que no era solo una señal clásica, sino una verdadera memoria cuántica.

Estos logros no son solo hitos teóricos; apuntan hacia un futuro práctico. Los investigadores señalan que estos cristales son compatibles con la tecnología existente, lo que significa que podrían integrarse en dispositivos pequeños. Esto abre la puerta a las "memorias cuánticas transportables", donde un dispositivo que contenga una memoria cuántica podría ser cargado en un camión, un dron o un satélite para transportar información cuántica entre ciudades distantes o incluso a través del espacio. La capacidad de mantener un estado cuántico durante una hora significa que un vehículo podría viajar cientos de kilómetros manteniendo la información segura, cerrando brechas que los cables de fibra óptica no pueden cruzar. Aunque quedan desafíos, como mejorar la eficiencia de la captura de la luz y hacer que el equipo sea más pequeño, este trabajo establece que las memorias de estado sólido de larga duración ya no son un sueño lejano, sino una realidad tangible.