Logran salvar estados cuánticos en un diamante, un pequeño paso hacia una Internet cuántica

Un sistema recién creado puede mejorar las comunicaciones cuánticas en distancias más largas, un paso pequeño pero crucial hacia una Internet cuántica.

Estamos en las primeras etapas de un auge cuántico, ya que los investigadores intentan aumentar nuestras capacidades informáticas y de comunicación con sistemas que emplean las matemáticas extrañas que gobiernan las partículas subatómicas.

Uno de los objetivos centrales de esta era son las redes que pueden transmitir información cuántica a escalas más largas, lo que los científicos creen que podría conducir a avances en criptografía, detección o incluso computación cuántica distribuida.

Pero estos son principalmente sueños; dicha red no puede existir realmente sin componentes como repetidores para extender la distancia que la información cuántica puede viajar o transductores que pueden convertir la información cuántica en fotones transmisibles.

Este nuevo artículo acerca el campo a la invención de un repetidor cuántico.

“Las estaciones repetidoras clásicas miden esa señal y amplifican una copia de ella”, dijo a Gizmodo el estudiante graduado de física de Harvard, Mihir Bhaskar.

“Así es como toda la información llega a todo el mundo.

Al construir una red cuántica, estamos tratando de hacer algo similar, pero nos estamos comunicando con fotones individuales“.

Hoy, nuestras redes envían información codificada como bits.

Pero ciertos sistemas naturales, como los fotones (partículas de luz) o los electrones que orbitan átomos, pueden almacenar un conjunto más rico de información en sus propiedades.

Más importante aún, estos sistemas pueden entrelazarse, de modo que las mediciones repetidas en puntos distantes están más correlacionadas de lo que permitiría la probabilidad regular.

Los científicos de la información cuántica piensan que algún día pueden usar redes que empleen estos atributos para enviar mensajes no pirateables, mejorar las capacidades de los sensores o realizar tareas que aún no se han imaginado.

Uno de los principales desafíos de todo esto es lo difícil que es enviar información cuántica a largas distancias.

Esta información está codificada en fotones individuales, que pueden perderse en unos pocos kilómetros de cable de fibra óptica.

Cualquier red que espera conectar nodos más separados que una ciudad requeriría un repetidor para amplificar la señal desde el punto A y enviarla al punto B.

Sin embargo, como un desafío adicional, y a diferencia de un repetidor regular, es imposible recrear un exacto copia de un estado cuántico, ya que medir un estado cuántico lo destruye.

Un equipo de Harvard y MIT desarrolló un nodo central que efectivamente reduce a la mitad la distancia que debe recorrer un mensaje.

El sistema, que se mantiene a cero Kelvin casi absoluto dentro de un refrigerador de dilución, consiste en un diamante con una “vacante” producida al reemplazar dos átomos de carbono con un solo átomo de silicio, creando una región que puede almacenar temporalmente el estado cuántico alimentado por un fotón, dentro de un refrigerador de dilución ultra fría.

El sistema recibe un fotón entrante desde el punto A, luego almacena el estado del fotón (sin destruirlo) el tiempo suficiente para recibir un fotón desde el punto B.

Después de sincronizar y entrelazar suficiente estos fotones, el nodo central produce una clave segura correlacionada entre los dos partes, lo que solo tiene sentido para los dos mensajeros.

Luego pueden usar esta clave para cifrar y descifrar mensajes entre ellos.

Los investigadores publicaron su estudio en la revista Nature.

Bhaskar explicó que este no es un repetidor que transmite información cuántica directamente del punto A al punto B.

Pero es un ingrediente clave que falta para llegar finalmente a ese punto: una interfaz intermedia entre la información cuántica almacenada como luz y un nodo en el medio.

Están trabajando para demostrar que pueden enviar un mensaje desde el punto A al nodo y luego al punto B, o incluso extender el alcance colocando más de estas unidades de diamante entre dos nodos.

Hay muchas otras mejoras que serán necesarias antes de que este dispositivo pueda formar parte de la comunicación cuántica de larga distancia.

Debe implementarse entre dos partes verdaderamente independientes, no solo estaciones en un laboratorio.

Además, actualmente opera en una longitud de onda diferente a la que mejor se usa hoy en día a través de cables de fibra óptica, y requiere un medio para convertir las señales en estas longitudes de onda.

Otros investigadores que no participaron en el estudio aplaudieron el logro técnico del trabajo.

Barry Sanders, director del Instituto de Ciencia y Tecnología Cuántica de la Universidad de Calgary, le dijo a Gizmodo que era “una prueba de principio emocionante“, no solo por la forma en que se demostró la memoria cuántica sino que se realizaron mediciones para confirmar el entrelazamiento entre fotones.

Pero, dijo, ampliar esto para usos más prácticos está muy lejos.

Otro investigador, Prem Kumar, director del Centro de Comunicación e Informática Fotónicas de la Universidad Northwestern (que tampoco participó en el estudio), estuvo de acuerdo en que era un trabajo notable y un paso crucial, aunque solo uno de los muchos pasos necesarios, hacia un eventual Repetidor cuántico.

Pero enfatizó que cualquier red cuántica en toda regla aún no es posible.

Los científicos de todo el mundo están trabajando en varios aspectos de un eventual internet cuántico.

Los investigadores han diseñado líneas de fibra óptica en las áreas de Chicago y Boston para realizar más experimentos como este en distancias más cortas.

El esfuerzo cuántico de China, liderado por Jian-Wei Pan de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, ha logrado entrelazar estados cuánticos almacenados en más de 50 kilómetros de alambre enrollado en el laboratorio y entrelazar fotones de laboratorios de todo el mundo con el satélite Micius como intermediario.

Pero estas son solo piezas individuales de un rompecabezas mucho más grande que deben integrarse juntas, con otros problemas que deben superarse, como los transductores que se mencionaron anteriormente, que deben traducir la información cuántica almacenada en un procesador cuántico en fotones que viajan sobre una fibra .

Este es un avance por el que vale la pena entusiasmarse, pero como Kumar le dijo a Gizmodo, son solo unas pocas yardas en el maratón hacia la nebulosa Internet cuántica del futuro.

Fuente: Gizmodo