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Transporte de información cuántica mediante FTTH
En la actualidad, la tecnología de fibra óptica transporta la información en forma de datos clásicos a los hogares y las empresas. Los investigadores están trabajando actualmente en la manera de combinar los datos clásicos con los datos cuánticos en las redes de fibra óptica con el fin de aumentar la seguridad. En un nuevo estudio, científicos han demostrado cómo los datos cuánticos y clásicos pueden ser entrelazados en un mundo real, en una red de fibra óptica, dando un paso hacia la distribución de la información cuántica a la casa, y con ello a un internet cuántico.
Los físicos, Iris Choi, Robert J. Young y Paul D. Townsend, del Instituto Nacional Tyndall en la Universidad de Cork en Cork, Irlanda, han publicado su estudio en una edición reciente del New Journal de la Física . Mientras que la viabilidad de la transferencia de qubits en los modernos de fibra hasta el hogar (FTTH) ya había sido demostrada, esta es la primera vez que los investigadores han estudiado cómo la operación podría funcionar en una red en el mundo real.
«Creo que nuestro trabajo constituye el primer intento realmente puro y duro, de abordar la cuestión de si la distribución de clave cuántica (QKD) puede trabajar en una fibra óptica de la red hasta el hogar (FTTH)», dijo Townsend. «El nuevo esquema que hemos desarrollado y probado demuestra que la respuesta es sí se puede. Digo pragmático y duro, porque hemos tenido un sistema ampliamente utilizado FTTH clásico y se ha adaptado para funcionar con QKD, dejando el diseño de la parte clásica del sistema esencialmente sin cambios. El enfoque alternativo, que a veces se toma en la investigación QKD, es dejar de lado el sistema clásico para adaptarse a trabajar con el QKD. En nuestra opinión esto no es muy práctica por razones de costo. »
El mayor desafío en la transferencia de qubits en redes del mundo real es la superación de la diafonía entre los canales clásicos y cuánticos. La interferencia está inducida por la dispersión Raman espontánea de fotones en la fibra óptica. Ya que los canales clásicos implican fuertes impulsos de láser, mientras que la información cuántica es transportada por fotones individuales, la interferencia afecta principalmente al canal cuántico, por lo que la tasa de error es tan elevada que el canal cuántico no puede operar.
La investigación ha demostrado que el nivel de ruido Raman se puede reducir mediante el filtrado óptico, aunque esta técnica es demasiado cara para el uso práctico. Así Choi, Young, y Townsend han desarrollado y demostrado un nuevo esquema de supresión de ruido que implica la creación de lagunas en la dispersión, y el envío de los datos cuánticos en estos espacios.
En primer lugar, los investigadores optaron por una configuración que utiliza dos longitudes de onda diferentes para la transmisión de los canales cuánticos y clásicos. En esta configuración, sólo la luz Raman dispersa en el canal de subida (que va de la casa de un usuario) puede generar interferencias en ese usuario. Luego, los investigadores identificaron periodos de calma entre las ráfagas de ruido generadas por la dispersión Raman en el canal de subida. Utilizando un esquema de multiplexión de tiempo y longitud de onda, los investigadores demostraron que los datos cuánticos generados por un esquema de distribución de clave cuántica (QKD) pueden ser transmitidso durante estos períodos de calma con alta fidelidad.
Mientras que la construcción de una red puramente cuántica podría evitar el problema de la interferencia total, los investigadores explican que la combinación de canales cuánticos con canales clásicos es con diferencia la opción más práctica.
La infraestructura de redes fibra óptica es enormemente costosa de implementar, por lo que debe durar mucho tiempo – tal vez 25 años o más – y ser capaz de soportar una amplia gama de sistemas y servicios actuales y futuros, aún por definir. Por lo tanto, es extremadamente improbable que un operador cada vez despliegue una red, o incluso fibras dentro de una red existente, exclusivamente para la comunicación cuántica – que es demasiado caro hacerlo. Por lo tanto, hay que desarrollar técnicas que permitan a los canales clásicos y cuánticos trabajar juntos en la misma red, si queremos que los sistemas de comunicación cuántica se conviertan en una realidad práctica.
Al demostrar que tanto la información cuántica y clásica puede transmitirse en una única red de fibra óptica de una manera que satisface necesidades del mundo real, los investigadores esperan llevar la tecnología de la información cuántica a un paso de las aplicaciones comerciales.
«Como hemos demostrado, en principio, la tecnología para hacer esto está disponible ahora,» afirmó Townsend. «Sin embargo, en realidad un estudio adicional es probable que sea necesario para reducir el costo y mejorar el rendimiento de algunas piezas clave del sistema, tales como los detectores de fotones individuales, antes de difundirse amplias aplicaciones. En general, la «proposición de valor» para QKD en redes FTTH y otros se encuentra bajo intenso debate, pero por el momento no hay un consenso claro acerca de si y cuándo podría ser aprobada en lugar de las técnicas clásicas de cifrado. Sin embargo, como lo demuestra esta investigación, el campo de QKD no se queda quieto y los sistemas están en constante evolución para ser más prácticos, y la mejora de las posibilidades de adopción de la tecnología en el futuro. »
Más información: Iris Choi, et al. «Quantum de información para el hogar.» New Journal of Physics 13 (2011) 063039 DOI: 10.1088/1367-2630/13/6/063039
Imagen: Physorg
Comunicaciones a 500 GHz con moduladores ópticos de grafeno
Se muestra una imagen de un microscopio electrónico de barrido (SEM) amplificando las estructuras clave del modulador óptico basado en grafeno. (Los colores fueron añadidos para mejorar el contraste). Electrodos de oro (Au) y platino (Pt) se utilizan para aplicar descargas eléctricas a la hoja de grafeno, que se muestra en azul, colocados en la parte superior de la guía de ondas de silicio (Si), que se muestra en rojo. La tensión puede controlar la transparencia del grafeno, convirtiendo la instalación en un modulador óptico que puede actuar como un conmutador (imagen de Liu Ming).
Un equipo de investigadores, dirigidos por el profesor de ingeniería de la UC de Berkeley (EE.UU.) Xiang Zhang, construyó un pequeño dispositivo óptico que utiliza grafeno, de un átomo de espesor, una capa de carbono cristalizado, como conmutador de luz. Esta capacidad de cambio es la característica fundamental de un modulador de red, que controla la velocidad a la que se transmiten paquetes de datos. Cuanto más rápidos los impulsos de los datos que se envían, mayor es el volumen de información que puede ser enviado. Los moduladores basados en el grafeno pronto podrían permitir a los consumidores visualizar películas 3-D de larga duración y alta definición, en un smartphone en cuestión de segundos, dijeron los investigadores.
El grafeno permite moduladores que son increíblemente compactos y que potencialmente operan a velocidades de hasta diez veces más rápidas que permite la tecnología actual. Esta nueva tecnología mejorará significativamente nuestras capacidades en la comunicación óptica ultrarrápida y la informática. Este es el modulador óptico más pequeño del mundo, y el modulador en las comunicaciones de datos es el corazón del control de velocidad.
Los investigadores fueron capaces de alcanzar una velocidad de modulación de 1 gigahercio, pero la velocidad, en teoría, podría llegar a ser tan elevada como 500 gigahercios para un solo modulador.
Un modulador óptico basado en el grafeno puede ser tan pequeño como de 25 micrones cuadrados, un tamaño aproximadamente 400 veces más pequeño que un cabello humano. La huella de un modulador comercial típico puede ser de nos pocos milímetros cuadrados.
Fuente: Next Big Future
Nueva fuente de emisión eficiente a frecuencia de Terahercios
Investigadores han desarrollado un láser basado en fuentes de radiación de terahercios que es excepcionalmente eficiente y menos propenso a daños que los sistemas similares. La tecnología podría ser útil en aplicaciones como la detección de trazas de gases o imágenes de armas en controles de seguridad.
JILA es un instituto conjunto del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE.UU. (NIST) y la Universidad de Colorado en Boulder (EE.UU.).
La radiación de Terahercios – que se halla entre las bandas de radio y óptica del espectro electromagnético – penetra materiales como ropa y plástico, y se puede utilizar para detectar muchas sustancias que tienen características únicas de absorción en estas longitudes de onda. Los sistemas de Terahercios son difíciles de construir, ya que requieren una combinación de métodos electrónicos y ópticos.
La tecnología JILA, que se describe en Optics Letters, es un nuevo giro en una fuente de terahercios común, un semiconductor superficial con electrodos de metal y excitado por pulsos láser ultrarrápidos. Un campo eléctrico se aplica a través del semiconductor, mientras que pulsos en el infrarrojo cercano duran unos 70 femtosegundos, se producen 89 000 000 de veces por segundo lugar, desalojando electrones del semiconductor. Los electrones se aceleran en el campo eléctrico y emiten ondas de radiación de Terahercios.
Las innovaciones JILA eliminar dos problemas conocidos con estos dispositivos. Añadiendo una capa de aislante de óxido de silicio entre el semiconductor de arseniuro de galio y los electrodos de oro, se impide que los electrones queden atrapados en defectos de los cristales semiconductores produciendo picos en el campo eléctrico. Haciendo que el campo eléctrico oscile rápidamente mediante la aplicación de una señal de radiofrecuencia se garantiza que los electrones generados por la luz no puede reaccionar con la suficiente rapidez para cancelar el campo eléctrico.
El resultado es un campo eléctrico uniforme sobre un área grande, lo que permite el uso de un láser de gran tamaño de punto de haz y la mejora de la eficiencia del sistema. Significativamente, los usuarios pueden aumentar la potencia a terahercios aumentando la potencia óptica sin dañar el semiconductor. Daños en la muestra fue común con sistemas anteriores, incluso a baja potencia. Entre otras ventajas, la nueva técnica no requiere una muestra modelada al microscopio o electrónica de alto voltaje. El sistema produce un campo Terahercios pico (de 20 voltios por centímetro para una potencia de entrada de 160 milivatios) comparable a la de otros métodos.
Si bien hay un número de maneras diferentes para generar la radiación de terahercios, los sistemas que utilizan láseres ultrarrápidos y semiconductores son de importancia comercial, ya que ofrecen una combinación inusual de amplia gama de frecuencias, frecuencias altas, y la salida de alta intensidad.
NIST ha solicitado una patente provisional sobre la nueva tecnología. Actualmente, el sistema utiliza un láser basado en un gran cristal de zafiro dopado con titanio, pero podría ser más compacto con el uso de un semiconductor diferente y un láser de fibra más pequeños, dice el autor principal, Steven Cundiff, físico del NIST.
Fuente: ScienceDaily
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Enlaces de interés:
– Apuntes Introducción a la Informática. GAP. UMU. Redes y comunicaciones
– Observa las ondas electromagnéticas de un horno microondas
– Apuntes Introduccion a la Informática. GAP. UMU. La Información
El físico español Cirac gana el Príncipe de Asturias de Investigación Científica
El físico español Juan Ignacio Cirac Sasturain, que dirige el departamento de óptica cuántica del Instituto Max Planck de Alemania, ha ganado el Premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica y Técnica 2006, que se falló hoy en Oviedo.
Cirac Sasturain, nacido en la localidad barcelonesa de Manresa en 1965, es el científico más joven en ganar este premio y llegó a las últimas votaciones junto a las candidaturas conjuntas de los biólogos Ginés Morata y Peter Lawrence y de los químicos Avelino Corma y James Fraser Stoddar, a las que se impuso finalmente.
“Estoy muy satisfecho, honrado y agradecido” por haber ganado el premio, dijo en declaraciones a Efe el físico que dirige el departamento de óptica cuántica del Instituto Max Planck en Alemania. El físico explicó que uno de los objetivos de su trabajo es “revolucionar el mundo informático” encontrando aplicaciones prácticas a las reglas cuánticas para los ordenadores.Con ordenadores que funcionen utilizando las reglas cuánticas en vez del sistema tradicional, los “cálculos se hacen infinitamente más rápidos que ahora“, explicó.
Según consta en el acta del jurado, se le concede el Premio “por su liderazgo mundial en la propuesta y desarrollo de la información cuántica, una nueva ciencia del siglo XXI que surge de combinar dos de las creaciones más notables de la ciencia del XX”.
Es decir, “de un lado la física cuántica, que explica el comportamiento de la materia a nivel atómico y subatómico, y del otro la teoría de la información, que describe el procesado, almacenamiento y transmisión de datos”.Añade que “el profesor Cirac es un referente internacional que ha producido algunas de las ideas más originales y brillantes tanto en el campo de la información cuántica como en el de la teoría cuántica de la luz y la física atómica”.
El jurado concluye señalando que “sus contribuciones están siendo decisivas para el desarrollo de comunicaciones completamente seguras, gracias a métodos de cifrado cuántico, y para la construcción de ordenadores potencialmente capaces de realizar en segundos cálculos que sobrepasan los límites actuales de la súper-computación”.
Fuente: 20minutos.es
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