Un puente de un kilómetro entre islas de frío ✛

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Dos criostatos de dilución, cada uno del tamaño de un barril, están en extremos opuestos del laboratorio. Dentro, circuitos superconductores enfriados a 50 milikelvin, cien veces más frío que el espacio interestelar. Entre ellos se extiende una fibra óptica común, un kilómetro de hilo de vidrio por el que viaja la luz. Por primera vez, un pulso de microondas coherente cruzó este puente sin perder su esencia cuántica.

Las computadoras cuánticas superconductoras son como ciudades en un archipiélago. Cada isla es un criostato separado, y no hay carreteras entre ellas. Los transductores electro-ópticos de nitruro de aluminio actúan como transbordadores: convierten la señal de microondas a 9,960 GHz en un fotón de 1550 nanómetros de longitud de onda, lo envían por la fibra y, en la otra orilla, lo vuelven a convertir en microondas, pero a 4,606 GHz. Las frecuencias se ajustan con un voltaje continuo de hasta 160 voltios, y el emparejamiento de la pareja lo asegura el efecto Vernier, la coincidencia de los dientes de dos peines ligeramente distintos.

La eficiencia de conversión en el chip superó el 0,1 % con una potencia óptica de unos 4 milivatios. La eficiencia total del enlace microondas-óptica-microondas alcanzó −60 dB en el chip, 80 dB mejor que un par de moduladores comerciales. La coherencia se confirmó midiendo la fase de la matriz de dispersión y mediante interferencia con un generador local. Incluso se transmitieron datos en formato QPSK, modulación por desplazamiento de fase en cuadratura con cuatro estados, con una potencia de microondas inferior a −30 dBm.

Antes de este trabajo, la transmisión coherente entre criostatos separados se consideraba técnicamente inalcanzable: es demasiado difícil alinear las frecuencias de un par de transductores. Ahora las islas de frío pueden conectarse mediante puentes. El siguiente paso es generar entrelazamiento entre fotones de microondas en dos criostatos mediante esquemas de anuncio de éxito. Esto permitiría superar el umbral de eficiencia del 50 % para la comunicación cuántica. En paralelo, se puede aumentar la eficiencia de los transductores reduciendo el volumen de los modos y mejorando el factor de calidad de los resonadores. Aumentar la separación entre los electrodos y el anillo óptico reducirá el ruido añadido sin pérdida de eficiencia.

El puente fotónico de un kilómetro es un bloque de construcción listo para procesadores superconductores distribuidos. El archipiélago tiene carreteras.