Los experimentos generan entrelazamiento cuántico sobre fibras ópticas en tres ciudades reales, lo que marca el progreso hacia redes que podrían tener aplicaciones revolucionarias.
Davide Castelvecchi
Tres grupos de investigación distintos han demostrado el entrelazamiento cuántico (en el que dos o más objetos están vinculados de modo que contienen la misma información incluso si están muy separados) en varios kilómetros por fibras ópticas existentes en áreas urbanas reales. La hazaña es un paso clave hacia una futura Internet cuántica, una red que podría permitir el intercambio de información mientras está codificada en estados cuánticos.
En conjunto, los experimentos son “las demostraciones más avanzadas hasta el momento” de la tecnología necesaria para una Internet cuántica, sostiene la física Tracy Northup de la Universidad de Innsbruck en Austria. Cada uno de los tres equipos de investigación, con sede en Estados Unidos, China y los Países Bajos, pudo conectar partes de una red utilizando fotones en la región infrarroja del espectro compatible con la fibra óptica, constituyendo un “hito importante”, sostiene su colega físico de Innsbruck, Simon Baier.
Una Internet cuántica podría permitir a dos usuarios cualesquiera establecer claves criptográficas casi irrompibles para proteger información confidencial . Pero el uso pleno del entrelazamiento podría hacer mucho más, como conectar computadoras cuánticas separadas en una máquina más grande y poderosa. La tecnología también podría permitir ciertos tipos de experimentos científicos, por ejemplo, creando redes de telescopios ópticos que tengan la resolución de un solo plato de cientos de kilómetros de ancho.
Dos de los estudios1, 2 se publicaron en Nature el 15 de mayo. El tercero se describió el mes pasado en una preimpresión publicada en arXiv3 , que aún no ha sido revisada por pares.
Entorno poco práctico
Muchos de los pasos técnicos para construir una Internet cuántica se han demostrado en el laboratorio durante la última década. Y los investigadores han demostrado que pueden producir fotones entrelazados utilizando láseres en línea de visión directa entre sí, ya sea en ubicaciones terrestres separadas o en el suelo y en el espacio.
Pero pasar del laboratorio al entorno urbano es “una bestia diferente”, afirma Ronald Hanson, físico que dirigió el experimento holandés3 en la Universidad Tecnológica de Delft. Para construir una red a gran escala, los investigadores coinciden en que probablemente será necesario utilizar la tecnología de fibra óptica existente. El problema es que la información cuántica es frágil y no se puede copiar; a menudo es transportado por fotones individuales, en lugar de pulsos láser que pueden detectarse y luego amplificarse y emitirse nuevamente. Esto limita los fotones entrelazados a viajar unas pocas decenas de kilómetros antes de que las pérdidas hagan que todo el asunto resulte poco práctico. “También se ven afectados por los cambios de temperatura a lo largo del día, e incluso por el viento, si están en la superficie”, dice Northup. “Es por eso que generar entrelazamientos en una ciudad real es tan importante”.
Cada una de las tres demostraciones utilizó diferentes tipos de dispositivos de «memoria cuántica» para almacenar un qubit, un sistema físico como un fotón o un átomo que puede estar en uno de dos estados, similar al «1» o al «0» de los bits de computadora ordinarios. — o en una combinación, o «superposición cuántica», de las dos posibilidades.
En uno de los estudios de Nature , dirigido por Pan Jian-Wei de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) en Hefei, se codificaron qubits en los estados colectivos de nubes de átomos de rubidio1. Los estados cuánticos de los qubits pueden establecerse utilizando un solo fotón, o pueden leerse haciendo “cosquillas” a la nube atómica para que emita un fotón. El equipo de Pan tenía dichas memorias cuánticas instaladas en tres laboratorios separados en el área de Hefei. Cada laboratorio estaba conectado mediante fibras ópticas a un «servidor fotónico» central situado a unos 10 kilómetros de distancia. Dos de estos nodos cualesquiera podrían quedar entrelazados si los fotones de las dos nubes de átomos llegaran al servidor exactamente al mismo tiempo.
Por el contrario, Hanson y su equipo establecieron un vínculo entre los átomos de nitrógeno individuales incrustados en pequeños cristales de diamante con qubits codificados en los estados electrónicos del nitrógeno y en los estados nucleares de los átomos de carbono cercanos3. Su fibra óptica iba desde la universidad de Delft a través de un tortuoso camino de 25 kilómetros a través de los suburbios de La Haya hasta llegar a un segundo laboratorio en la ciudad.
En el experimento estadounidense, Mikhail Lukin, físico de la Universidad de Harvard en Cambridge, Massachusetts, y sus colaboradores también utilizaron dispositivos basados en diamantes, pero con átomos de silicio en lugar de nitrógeno, aprovechando los estados cuánticos tanto de un electrón como de un núcleo de silicio2. Los átomos individuales son menos eficientes que los conjuntos atómicos a la hora de emitir fotones según demanda, pero son más versátiles porque pueden realizar cálculos cuánticos rudimentarios. “Básicamente, hemos entrelazado dos pequeños ordenadores cuánticos”, afirma Lukin. Los dos dispositivos basados en diamantes estaban en el mismo edificio en Harvard, pero para imitar las condiciones de una red metropolitana, los investigadores utilizaron una fibra óptica que serpenteaba alrededor del área local de Boston. “Cruza el río Charles seis veces”, dice Lukin.
Desafíos futuros
El procedimiento de entrelazamiento utilizado por los equipos chino y holandés requirió que los fotones llegaran a un servidor central con una precisión temporal exquisita, lo que fue uno de los principales desafíos de los experimentos. El equipo de Lukin utilizó un protocolo que no requiere tal ajuste: en lugar de entrelazar los qubits haciéndolos emitir fotones, los investigadores enviaron un fotón para entrelazarlo con el átomo de silicio en el primer nodo. Luego, el mismo fotón rodeó el bucle de fibra óptica y regresó para rozar el segundo átomo de silicio, enredándolo así con el primero.
Pan ha calculado que, al ritmo actual de avance, para finales de la década su equipo debería poder establecer entrelazamientos en más de 1.000 kilómetros de fibras ópticas utilizando aproximadamente diez nodos intermedios, con un procedimiento llamado intercambio de entrelazamientos . (Al principio, tal vínculo sería muy lento, creando quizás un entrelazamiento por segundo, agrega). Pan es el investigador principal de un proyecto que utiliza el satélite Micius , que demostró las primeras comunicaciones cuánticas en el espacio, y dice Hay planes para una misión de seguimiento.
“Ahora realmente se ha dado el paso del laboratorio al campo”, sostiene Hanson. “Esto no significa que sea comercialmente útil todavía, pero es un gran paso”.
