By: Charlie Wood
Dos demostraciones novedosas acercan un poco más la columna vertebral de la Internet cuántica, los repetidores cuánticos.
Cuando el precursor de Internet actual transmitió su primer mensaje en 1969, las computadoras clásicas, torpes pero funcionales, ya existían durante décadas . Ahora, los físicos están diseñando los hilos embrionarios de una Internet completamente nueva para mover y manipular un tipo de información radicalmente diferente: el bit cuántico o “qubit”. Y esta vez, no están esperando a que existan primero las computadoras correspondientes.
Dos equipos han demostrado ahora un conjunto de tecnologías esenciales para construir la columna vertebral de dicha red: dispositivos conocidos como repetidores cuánticos. Los investigadores lograron, por primera vez, utilizar partículas de luz para unir dos cristales separados por decenas de metros en un único sistema mecánico cuántico y verificar la conexión de una manera sencilla. Los experimentos presagian un futuro en el que las instituciones de todo el planeta pueden aprovechar un extraño tipo de conexión llamada entrelazamiento .
“Este es sin duda un nuevo paso para las aplicaciones de repetidores cuánticos”, dijo Julien Laurat, físico de la Universidad de la Sorbona en Francia, que no participó en la investigación.
Almacenar luz en la materia
Un pilar de la tecnología de la información cuántica es el qubit, que es un sistema (como una partícula) que existe en una combinación de dos estados conocidos como “superposición”. El rico comportamiento del qubit en comparación con el de un bit clásico (que solo puede existir como un 0 o un 1) permite nuevos modos de cálculo, algo así como un dado de seis caras se adapta a diferentes juegos que una moneda de dos caras.
En los experimentos recientes, equipos de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) y el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) en España utilizaron fotones, o partículas de luz, para crear qubits. Los experimentos pasados a menudo han almacenado información de fotones en nubes de gas controladas con precisión con láseres, pero los investigadores de la USTC y el ICFO han avanzado un nuevo tipo de disco duro cuántico de “estado sólido”: cristales de vidrio llenos, o “dopados”, con iones de una rara naturaleza. -tierra de metal. Los iones tomaron el lugar del gas en experimentos anteriores y el vidrio los mantuvo en su lugar.
“Puede pensar que nuestros cristales dopados son prácticamente una nube congelada”, dijo Samuele Grandi, un físico del ICFO que trabajó en uno de los experimentos.
Cuando un fotón entra en el cristal, choca contra los iones (que los investigadores han preparado cuidadosamente para responder a la partícula entrante) y les transfiere su energía. En ese momento, el cristal contiene el qubit del fotón y actúa como una memoria cuántica, un dispositivo de almacenamiento de información cuántica.
Una conexión espeluznante
El segundo pilar de la comunicación cuántica es un vínculo etéreo llamado entrelazamiento, en el que dos partículas o grupos de partículas actúan como un sistema, incluso cuando están separadas por grandes distancias. Este fenómeno se encuentra en el corazón de una Internet cuántica, uniendo dispositivos cuánticos de la misma manera que los cables de fibra óptica y las ondas de radio conectan las computadoras clásicas. Una red cuántica podría extenderse tanto como uno pueda entrelazar memorias cuánticas, y no más.
El problema es que, a diferencia de los bits en un disco duro, las estrictas reglas de la mecánica cuántica prohíben la copia y retransmisión de qubits en una memoria cuántica (una propiedad que ayuda a que los mensajes cuánticos teóricamente sean a prueba de piratería). Para superar este obstáculo, los investigadores imaginan encadenar memorias cuánticas junto con repetidores. Para enredar algún día recuerdos entre Boston y Washington, DC, por ejemplo, uno podría enredar el recuerdo de Boston con un recuerdo en un repetidor de Nueva York, y el repetidor de Nueva York con el recuerdo de Washington, DC.
Grandi y sus colaboradores han dado un paso notable hacia tal dispositivo. Su aparato comienza con dos dispositivos tipo láser, uno a cada lado, cualquiera de los cuales puede producir un par de fotones entrelazados. Incluso este primer paso es un desafío, ya que cada dispositivo tiene solo una probabilidad de 1 en 1,000 de hacerlo.
Pero con persistencia, eventualmente un dispositivo disparará fotones gemelos. Un fotón va directamente a una memoria cuántica correspondiente (el vidrio dopado) y el otro corre por un cable de fibra óptica. A medio camino entre los dos dispositivos (y sus memorias), este fotón se encuentra con un divisor de haz, un material que deja pasar al fotón la mitad del tiempo.
Ahí es donde ocurre la magia cuántica. Cuando Grandi y sus colaboradores ven un fotón salir del divisor de haz, no tienen idea de si proviene del lado derecho o del lado izquierdo. Por lo tanto, no tienen idea de si el fotón asociado vive en la memoria de la derecha o en la memoria de la izquierda. La mecánica cuántica da a esta incertidumbre una consecuencia profunda. Dado que el fotón almacenado podría residir en la memoria derecha o en la memoria izquierda, debe existir en una superposición de derecha e izquierda, tanto presente como ausente en ambas memorias de una manera que entrelaza los dos cristales.
“El hecho de que no se pueda saber de dónde vino [de]”, dijo Grandi, “esto es lo que genera el entrelazamiento entre los recuerdos que ahora tienen un fotón entre ellos”.
Cuando tuvo éxito, el aparato del grupo almacenó un fotón entre dos recuerdos entrelazados en laboratorios vecinos, a 10 metros (33 pies) de distancia, un resultado que se describe con frecuencia matemáticamente en los libros de texto cuánticos, pero que rara vez se experimenta en el mundo real.
“Esto, para mí, fue alucinante”, dijo Grandi a WordsSideKick.com. “Sabes que funciona, pero luego lo ves y esto es realmente contrario a la intuición”.
Fundamentalmente, el equipo pudo confirmar fácilmente la conexión surrealista. Un fotón que emerge del divisor de haz significa que los recuerdos están entrelazados. Los investigadores llaman a esta partícula un fotón heraldo porque “presagia” un entrelazamiento. Otros físicos han entrelazado memorias cuánticas de varios tipos antes, pero los experimentos de ICFO y USTC fueron los primeros en entrelazar memorias de cristal con esta clara señal de entrelazamiento.
El aparato ICFO también usó luz de la misma longitud de onda utilizada en cables de fibra óptica y demostró que sus memorias podían realizar múltiples intentos de entrelazamiento al mismo tiempo, un paso hacia una red cuántica que transportaba diferentes mensajes simultáneamente. El grupo de la USTC, por el contrario, logró una forma de entrelazamiento entre dos fotones que es más útil de inmediato, aunque su conexión fue más corta. Los equipos describieron su trabajo en dos estudios publicados el 2 de junio en la revista Nature.
Estos resultados “proporcionan importantes pasos hacia adelante en la construcción de bloques de futuras cadenas de repetidores cuánticos”, dijo Ronald Hanson, investigador de comunicaciones cuánticas de la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos, a WordsSideKick.com en un correo electrónico. “Para el campo que trabaja con memorias de estado sólido basadas en conjuntos, estos impulsan significativamente el estado del arte”.
Un largo camino por delante
El experimento ICFO representa la culminación de una década de trabajo encabezado por el físico Hugues de Riedmatten para desarrollar los procedimientos, materiales y dispositivos necesarios para crear el vínculo anunciado. Grandi y su colega del ICFO, Darío Lago-Rivera, también hicieron todo lo posible para aislar los componentes rudimentarios del repetidor de la confusión del mundo. Si las vibraciones del edificio o una ráfaga de aire caliente hicieran que el cable de un metro de largo se estirara incluso una docena de nanómetros, por ejemplo, la perturbación arruinaría el experimento.
A pesar del progreso, todavía faltan años para los repetidores cuánticos prácticos que pueden entrelazar recuerdos de manera confiable en las ciudades, y mucho menos en los continentes. Las memorias del ICFO pueden recordar sus qubits por solo 25 microsegundos, tiempo suficiente para entrelazarse con otra memoria a no más de 3 millas (5 kilómetros) de distancia. El meticuloso sistema tampoco es confiable, y los intentos de escribir un fotón en la memoria tienen éxito solo el 25% de las veces.
Sin embargo, los investigadores tienen varias ideas sobre cómo mejorar su configuración. Animados por el éxito de combinar tantos elementos cuánticos, creen que están en el camino de ampliar el entrelazamiento y las comunicaciones cuánticas desde los laboratorios vecinos a las ciudades vecinas.
