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Nuevos repetidores para comunicaciones cuánticas a larga distancia

Científicos europeos han usado cristales dopados con iones de tierras raras para conseguir memorias cuánticas


Científicos europeos dirigidos desde la Universidad de Ginebra han conseguido desarrollar repetidores cuánticos más eficientes que permiten realizar comunicaciones cuánticas (entre partículas entrelazadas cuánticamente) a larga distancia. Con cristales dopados de iones de tierras raras han resuelto el problema de las memorias cuánticas, aunque todavía queda mucho para que se pueda aplicar industrial y comercialmente. Por Carlos Gómez Abajo.


Carlos Gómez Abajo
Carlos Gómez Abajo, redactor de Tendencias21, es máster en periodismo (El País-UAM), Experto en... Saber más del autor


Comunicación cuántica a larga distancia entre dos fotones entrelazados. Fuente: TheQubitLab.
Comunicación cuántica a larga distancia entre dos fotones entrelazados. Fuente: TheQubitLab.
La investigación sobre el extraño fenómeno conocido como entrelazamiento cuántico -una vez descrito como "espeluznante" por Albert Einstein- podría revolucionar las TIC en los próximos años, permitiendo todo tipo de cosas, desde la computación ultra-rápida hasta asegurar completamente las comunicaciones de larga distancia.

Investigadores financiados con fondos europeos están llevando a cabo trabajos de vanguardia en tecnologías cuánticas, y un equipo ha conseguido recientemente un avance clave en la ampliación de la gama de las comunicaciones cuánticas.

En esencia, el entrelazamiento cuántico se produce cuando partículas tales como fotones o electrones interactúan físicamente y luego se separan, pero siguen estando íntimamente conectadas, incluso si están a miles de kilómetros de distancia. Es un desafío a nuestros instintos y a nuestro sentido común, y a nuestra experiencia con el mundo físico, pero una partícula que se encuentra en Tokio, si la mide un observador, exhibe las cualidades exactas de su homóloga entrelazada en Bruselas.

Un par de sistemas cuánticos usando fotones en estado entrelazado se pueden utilizar como un canal de información cuántica para realizar tareas de cálculo, de comunicación y de cifrado que son imposibles para los sistemas clásicos. Y, lo más importante para los objetivos de comunicarse, debido a que los pares de fotones están intrínsecamente ligados, proporcionan total seguridad y fidelidad.

Además, si la señal fuera interceptada por un tercero, sería inmediatamente detectado, puesto que el entrelazamiento tendría que romperse para poder interceptar el mensaje. Una vez que el entrelazamiento se rompe, no puede ser restaurado. Estas características abren un nuevo mundo de aplicaciones.

La computación cuántica podría permitirnos resolver una búsqueda, en el desciframiento de códigos por ejemplo, contemplando todas las posibles combinaciones al mismo tiempo. Mientras que las computadoras actuales pueden tardar años para investigar todas las combinaciones posibles, en el ordenador cuántico todas se prueban a la vez. Y el entrelazamiento cuántico podría permitir la comunicación instantánea, o incluso nos permitiría teletransportar objetos sólidos de un lugar a otro.

Conseguir que la magia se haga realidad

El profesor Nicolas Gisin, del Grupo de Física Aplicada de la Universidad de Ginebra (Suiza) y un equipo de investigadores de cuatro países europeos -Francia, Alemania, Suecia y Suiza- han dado un importante paso adelante para conseguir que la magia se haga realidad. Se espera que su trabajo contribuya al desarrollo de aplicaciones comerciales de la tecnología de comunicaciones cuánticas en menos de 10 años.

Con su trabajo en el proyecto QUREP (Quantum repeaters for long distance fibre-based quantum communication, "repetidores cuánticos para la comunicación cuántica a larga distancia mediante fibra óptica"), con el apoyo de 1,9 millones de euros de financiación de la Comisión Europea, el consorcio ha dado pasos importantes hacia conseguir un repetidor cuántico que pueda impulsar las señales cuánticas a mayores distancias, con lo que la comunicación cuántica de larga distancia está más cerca de la realidad .

La comunicación cuántica ya se ha demostrado posible en distancias cortas, pero faltaban medios para separar de manera fiable fotones entrelazados a mayores distancias. Los investigadores han dado pasos importantes hacia la solución del problema mediante el desarrollo de los componentes clave de un repetidor cuántico. El repetidor cuántico es similar a los repetidores utilizados en comunicaciones estándar de hoy en día y su papel es el de potenciar una señal entrante y repetirlo en el otro lado, por lo que la señal no pierde su fuerza a medida que viaja.

"Los repetidores requieren la capacidad de distribuir el entrelazamiento a lo largo de decenas de kilómetros y memorias cuánticas, entre otras cosas. Nos concentramos en las memorias cuánticas, que representan el mayor reto", explica Gisin en la información de Cordis. "Los resultados son muy alentadores , aunque está claro que aún queda mucho por hacer para llevar esta tecnología a un nivel adecuado para la industrialización .

El equipo desarrolló memorias cuánticas en estado sólido hechas de cristales dopados con iones de tierras raras, que absorben un fotón en el lado de entrada de la señal y emiten un nuevo fotón con propiedades idénticas de entrelazamiento en el otro lado.

"El ancho de banda de la memoria cuántica es un gran desafío", señala Gisin. "Nuestras memorias cuánticas tienen un ancho de banda relativamente grande en comparación con enfoques alternativos. Sin embargo, se limitan a algunos cientos de megahertz (MHz). Por lo tanto, desarrollar fuentes de fotones entrelazados con anchos de banda compatibles y alta estabilidad era uno de nuestros retos. Al superarlo, hemos podido demostrar el entrelazamiento entre dos de nuestras memorias cuánticas".

Pruebas

En las pruebas, el equipo fue capaz de enviar un fotón "señal" al cristal para ser almacenado, mientras que el otro fotón, conocido como el "vago", era mantenido detrás. El fotón señal podría entonces ser detectado en un laboratorio a 50 metros de distancia, que cuando se medía, revelaba con absoluta certeza el resultado de la medición del fotón vago.

"Trabajamos a alrededor de 3 grados Kelvin, una temperatura relativamente accesible y compatible con los mejores superconductores detectores de fotón único", señala Gisin". Sin embargo, para que la tecnología salga del laboratorio y se aplique en el mundo real, varios desafíos clave aún deben ser superados.

"Se trata de conseguir tiempos de memoria más largos (hasta un segundo), eficiencias más altas (hasta un 80%) y fuentes de señal aún más eficientes. Incluso entonces, todavía será un gran reto de ingeniería hacer que todo funcione a la vez", reconoce el profesor Gisin .

Los miembros del consorcio, que incluye a importantes institutos de investigación y empresas, planean continuar su investigación con repetidores cuánticos y pueden buscar spin-offs comerciales de su trabajo al final del proceso.

Teleportación cuántica

Actualmente el récord en teleportación cuántica (transportar las propiedades cuánticas de una partícula entre dos puntos sin que atraviesen el espacio intermedio) está en 143 kilómetros. Lo consiguió en 20123 un equipo de físicos de la Universidad de Viena y de la Academia Austriaca de las Ciencias, que realizó el proceso entre las islas de La Palma y Tenerife. La teleportación es clave para las comunicaciones cuánticas.

Otro hito en las comunicaciones cuánticas se consiguió en abril de este año. Científicos alemanes consiguieron enviar información encriptada cuánticamente desde un emisor en movimiento, en este caso una aeronave, hasta un receptor fijo (en tierra). Lograron una precisión de tres metros en una distancia de 20 kilómetros.


Miércoles, 25 de Septiembre 2013
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