Crédito de la fotografía: Laboratorio Nacional de Oak Ridge

CHATTANOOGA, Tennessee (13 de enero de 2025) —Investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía unieron fuerzas con EPB de Chattanooga y la Universidad de Tennessee en Chattanooga para demostrar la primera transmisión de una señal cuántica entrelazada utilizando múltiples canales de longitud de onda y estabilización automática de polarización a través de una red comercial sin tiempo de inactividad.

La prueba exitosa de esta innovación marca otro paso hacia la eventual creación de una Internet cuántica que podría resultar más capaz y segura que las redes existentes.

En la demostración se utilizó la compensación automática de polarización (APC, por sus siglas en inglés) para estabilizar la polarización, o dirección de la oscilación del campo eléctrico en una onda de luz, de una señal enviada a través de la red cuántica comercial de fibra óptica del EPB. El método utilizó señales de referencia generadas por láser para verificar continuamente la polarización transmitida, detectada con un método ultrasensible conocido como detección heterodina.

Los APC reducen la interferencia de datos causada por fuerzas externas como el viento y los cambios de temperatura que pueden afectar los cables de fibra óptica utilizados para transmitir señales cuánticas.

“Uno de nuestros objetivos desde el principio ha sido desarrollar sistemas de comunicaciones cuánticas que funcionen sin problemas para los usuarios”, dijo Joseph Chapman, un científico de investigación cuántica de ORNL que dirigió el estudio . “Esta es la primera demostración de este método, que permitió una estabilización relativamente rápida al tiempo que preservaba las señales cuánticas, todo con un tiempo de actividad del 100 %, lo que significa que las personas en ambos extremos de esta transmisión no notarán ninguna interrupción en la señal y no necesitarán coordinar el tiempo de inactividad programado”.

El método permitió la transmisión continua de señales sin interrupciones durante más de 30 horas entre el nodo del campus de la Universidad de Tennessee en Chattanooga y otros dos nodos de la red cuántica EPB , cada uno a aproximadamente media milla de distancia. El nodo UTC contenía una fuente de fotones entrelazados desarrollada por Muneer Alshowkan, un científico de investigación cuántica de ORNL.

La computación cuántica se basa en bits cuánticos, o cúbits, para almacenar información. Los cúbits, a diferencia de los bits binarios utilizados en la computación clásica, pueden existir en más de un estado simultáneamente mediante la superposición cuántica, que permite codificar combinaciones de valores físicos en un único objeto.

El estudio ORNL utilizó partículas de luz, o fotones, como qubits y transmitió los qubits entrelazados por polarización en pares de fotones a través de la distribución de entrelazamiento cuántico. Los qubits entrelazados están tan entrelazados que uno no puede describirse independientemente del otro. Ese entrelazamiento permite que la información codificada en los qubits se transmita de un lugar a otro a través de la teletransportación cuántica sin necesidad de viajar físicamente a través del espacio. La distribución de entrelazamiento y la teletransportación cuántica forman la base de las redes cuánticas más avanzadas.

Los fotones pueden codificarse como cúbits mediante polarización, junto con otras propiedades de la luz, y pueden transmitirse a través de los sistemas de cables de fibra óptica existentes. Pero el viento, la humedad, los cambios de temperatura y otras tensiones en el cable pueden alterar la polarización de los fotones e interferir con la señal. Chapman y el equipo de ORNL querían encontrar una forma de estabilizar la polarización y reducir la interferencia mientras se mantenía la red funcionando con el máximo ancho de banda.

“La mayoría de las soluciones anteriores no funcionaban necesariamente para todos los tipos de polarización y requerían concesiones, como reiniciar periódicamente la red”, dijo Chapman. “Las personas que utilizan la red necesitan que esté en funcionamiento. Nuestro enfoque controla cualquier tipo de polarización y no requiere que la red se apague periódicamente”.

Chapman y Alshowkan probaron el método de compensación generando señales de prueba a partir de fotones entrelazados mediante tomografía cuántica asistida por entrelazamiento, que estima las propiedades de un canal cuántico (como la fibra subterránea con APC) para medir los cambios. Las transmisiones se mantuvieron relativamente estables con un ruido agregado mínimo cuando se activó el APC.

“Un músico experimentado con buen oído puede notar la diferencia cuando dos instrumentos están desafinados”, dijo Chapman. “En nuestro APC, utilizamos un láser para hacer lo mismo con nuestras señales de referencia”.

Chapman ha solicitado una patente para el método . Los próximos pasos incluyen ajustar el enfoque para aumentar el ancho de banda y el rango de compensación para permitir un funcionamiento de alto rendimiento en una variedad más amplia de condiciones.

“Trabajar con organizaciones como ORNL nos brinda información valiosa sobre cómo podemos seguir mejorando la red cuántica de EPB como recurso para investigadores, empresas emergentes y clientes académicos”, afirmó David Wade, director ejecutivo de EPB. “Desde que lanzamos una red cuántica comercialmente viable, comenzamos a trabajar para preparar a nuestra comunidad para que se beneficie de los avances en el futuro cuántico y establezca a Chattanooga como un destino para desarrolladores e inversores”.

Los funcionarios de UTC se comprometieron a continuar con su apoyo.

“Estamos entusiasmados por formar parte de este exitoso trabajo en equipo”, afirmó Reinhold Mann, vicerrector de investigación de la UTC. “Esta asociación promueve la ciencia y la tecnología de la información cuántica y se suma a nuestra oferta especial de aprendizaje experiencial para nuestros estudiantes”.

Esta investigación recibió apoyo del programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio ORNL, del programa de Investigación en Computación Científica Avanzada de la Oficina de Ciencias del DOE y de la Iniciativa Cuántica de UTC.

Para celebrar el Año Internacional de la Ciencia y la Tecnología Cuánticas en 2025, ORNL continúa impulsando la búsqueda de la innovación cuántica, impulsando descubrimientos científicos líderes a nivel mundial para posibilitar una revolución cuántica que promete transformar una amplia gama de tecnologías fundamentales para la competitividad estadounidense. Haga clic aquí para obtener más información sobre la ciencia cuántica en ORNL.

UT-Battelle administra ORNL para la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía, el mayor patrocinador de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos. La Oficina de Ciencias del Departamento de Energía está trabajando para abordar algunos de los desafíos más urgentes de nuestro tiempo. Para obtener más información, visite https://energy.gov/science .

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Acerca de EPB

EPB es una empresa de tecnología centrada en el cliente que ofrece soluciones innovadoras de energía y telecomunicaciones en el área de Chattanooga en pos de su misión de mejorar la calidad de vida de la comunidad a la que sirve. En 2010, EPB completó una red 100% de fibra óptica accesible para todos sus clientes como base para el lanzamiento de la primera Internet comunitaria de velocidad Gig de Estados Unidos. La empresa todavía opera hoy el servicio de Internet comunitario más rápido del mundo a velocidades de hasta 25 Gig. EPB también utiliza la red de fibra óptica de Chattanooga como la columna vertebral de las comunicaciones para el sistema de distribución de energía más avanzado y altamente automatizado de los Estados Unidos. En 2022, EPB continuó con su compromiso de mantener a Chattanooga a la vanguardia al establecer la primera red cuántica disponible comercialmente del país: EPB Quantum Network℠. Este esfuerzo alinea los esfuerzos de creación de empleo local con la prioridad nacional de acelerar la comercialización de la tecnología cuántica.

Desde que encendió la luz para su primer cliente eléctrico en 1939, EPB ha crecido hasta brindar servicio a casi medio millón de personas en un área de servicio de 600 millas cuadradas con una infraestructura de vanguardia que integra la distribución de energía y las telecomunicaciones. Al mismo tiempo, EPB mantiene el beneficio del cliente en el centro de todos sus esfuerzos, lo que le valió el reconocimiento de JD Power como la empresa de servicios públicos de tamaño mediano número uno en el sur durante los últimos nueve años consecutivos según las calificaciones de satisfacción del cliente. Obtenga más información en epb.com.